基于网络编码的无线网络通信性能分析与建模

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网络编码理论和技术为提高无线网络信道的利用率提供了新的思路。同时,高效的媒体接入协议(MAC)负责无线信道的动态分配,对网络的整体性能有着重要的影响。因此,深入分析和理解无线网络特性,研究基于网络编码的无线网络通信性能,有针对性的对网络MAC层协议进行改进对于保证无线网络的高效通信有着非常重要的理论意义和实用价值。  本文主要通过数学分析的方法,对IEEE802.11无线网络MAC层协议的性能进行深入的分析,融入网络编码思想、机会转发机制、信道丢包率、数据包回复策略以及动态缓存机制,建立马尔科夫链数学模型,为研究无线网络的通信性能提供依据。具体研究工作包括以下几个方面:  (1)提出一种基于网络编码的IEEE802.11 DCF改进机制及其性能分析模型。改进的基于网络编码的信道接入机制(NCA-DCF)采用基于冲突避免的主动确认(PACK)策略,帮助中间节点形成编码意识,然后通过编码包的转发,提高数据包传输效率。在此基础上,构建融合网络编码思想和PACK策略的二维马尔科夫链模型对NCA-DCF进行数学建模分析,计算出节点的信道接入概率、数据分组的成功发送概率、系统饱和吞吐量和分组丢弃概率。并且有针对性的设计了仿真实验对模型进行分析和评价。  (2)提出一种基于机会转发的无线网络编码性能分析模型。结合机会转发机制,设置ACK回复策略,探讨多个中间节点时,无线信道丢包对于网络性能的影响。建立二维马尔科夫链模型对802.11 DCF信道接入机制进行数学建模分析,得到数据包成功投递概率和网络吞吐量公式。同时,通过仿真的方法对模型进行分析和评价,分析结果表明,机会转发策略可以提高数据包的投递概率和网络端到端的吞吐量。  (3)提出一种基于动态缓存的无线网络编码性能分析模型。在有限的缓存容量下,结合DCF信道随机接入机制,分析无线网络编码的整体性能。首先,划分编码节点缓存容量,使之与每对编码流对应。然后,构建嵌入式马尔科夫链模型和二维马尔科夫链模型分别对节点缓存和802.11 DCF信道接入机制进行数学建模分析,得到网络平均编码数目、网络有效吞吐量和节点成功传输数据包概率。最后,有针对性的设计仿真实验对模型进行分析和评价,实验结果表明,缓存容量影响网络吞吐量,每对编码流缓存容量越大,吞吐量越高;随机接入机制决定了节点能够编码的数据包数目,编码节点优先级过高,将会降低编码性能。  最后,总结现阶段的工作,并对下一步的研究做出设想和展望。
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