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无线Mesh网络中网络编码感知路由技术研究

作　者: 邵星
导　师: 王汝传
学　校: 南京邮电大学
专　业: 信息网络
关键词: 无线Mesh网络 网络编码感知 路由 负载平衡 服务质量 遗传算法 多播
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


无线Mesh网络具有骨干节点静止、无线自组织的特点，其部署维护方便且成本低廉，同时提供高速的无线宽带接入，适合无线城域网、应急通信等应用领域。作为一种面向实用的无线网络，无线Mesh网络需要提供高吞吐量、高可靠性的路由技术以支撑其服务。网络编码允许节点对收到的数据包进行编码。无线网络编码可以减少数据传输次数，提高网络的带宽资源利用率和数据传输可靠性。无线Mesh网络编码感知路由，将网络编码技术引入到无线Mesh网络路由中，利用网络编码技术优势，提升无线Mesh网络路由算法在吞吐量、可靠性等方面的性能。因此，针对无线Mesh网络编码感知路由技术的研究具有重要的理论意义和现实意义。本文首先对无线Mesh网络和网络编码技术进行了介绍，随后对无线Mesh网络路由技术和无线Mesh网络编码感知路由进行了系统的分类和综述，然后针对现有编码感知路由在负载分配、QoS等方面的不足，在负载均衡路由、QoS(Quality of Service)路由、编码机会优化、多播路由和无线Mesh网络编码感知路由仿真系统等方面进行了深入研究。本文的主要工作包括以下几个方面：(1)针对现有编码感知路由单纯考虑增加网络编码机会，引起数据流向存在编码机会的区域聚集，导致网络负载分配不均问题，提出了负载均衡的编码感知多径路由LCMR(Load balanced Coding aware Multipath Routing)。详细分析现有的两条未编码交叉数据流在交叉节点网络编码条件所存在的失效情况并分析其原因，给出两条数据流(未编码或已编码)能够进行网络编码的一般条件。基于跨层设计的思想，设计了负载均衡的编码感知路由度量LCRM(Load balanced Coding aware Routing Metric)。LCRM综合考虑路径中的网络编码机会、节点负载和邻域干扰。详细阐述了LCMR的路由发现策略。通过复杂度分析与仿真实验证明，LCMR虽然牺牲了小部分的网络编码机会，但能够实现全网负载的均衡分布。特别是在高负载的情况下，LCMR仍然能够保证网络较高的吞吐量和较低延时，推迟网络拥塞的发生。(2)针对现有的编码感知路由不提供QoS保证，和无线Mesh网络中各种业务需要提供QoS服务的现实出发，提出了QoS保证的编码感知多径路由QCMR(QoS guaranteedCoding Aware Routing)。详细分析了QoS带宽约束条件下的网络编码与节点带宽之间关系，给出了两条QoS数据流在交叉节点的网络编码条件。设计了QoS保证的编码感知路由度量QCRM(QoS guaranteed Coding aware Routing Metric)。QCRM综合考虑了编码机会、节点可用带宽、节点负载和邻域干扰。仿真结果表明，QCMR能够提高编码感知路由的QoS性能，保证业务的QoS需求。与传统QoS路由相比，QCMR能够节省带宽资源，允许网络接纳更多QoS数据流。(3)针对网络所有节点掌握网络全局信息的情景，考虑将遗传算法引入编码感知路由，提出了基于遗传算法优化的编码感知路由GCAR(Genetic algorithm based CodingAwareRouting)。GCAR利用遗传算法对路由和路由中的编码机会进行联合优化。针对编码感知路由的特点，GCAR详细分析并设计了编码感知条件下路由的染色体表示方法，设计了综合考虑路由编码机会、节点负载、干扰等因素的适应度函数。仿真结果证实GCAR能够以较小的路由建立时间，建立性能优秀的编码感知路由。(4)针对现有的无线Mesh网络基于网络编码的多播路由，单纯利用一种网络编码的局限，提出了混合网络编码感知多播路由HCMR(Hybrid Coding aware Multicast Routing)。HCMR将流内网络编码和流间网络编码相结合并应用于多播路由，在一个多播会话内，采用流内网络编码，提高数据传输可靠性；在多播会话间，利用流间网络编码，减少数据传输次数，提高数据传输效率。在提高多播可靠性的同时，为了尽量减少流内网络编码的数据传输次数，HCMR提出了基于零空间的反馈机制，和基于编码的重传机制。仿真结果表明，HCMR与普通的基于网络编码的多播路由相比，在数据传输效率和可靠性方面的性能都有显著的提升。(5)基于网络仿真器NS2，设计并实现了编码感知路由扩展系统CARE (Coding AwareRouting Extension System for NS2)。针对普通编码感知路由和本文所提路由的仿真需求，CARE系统对NS2中无线节点结构、路由代理、数据包头等进行了扩展。CARE系统可以根据用户需求，自主选择路由模块进行仿真，且便于用户后续研究和改进，具有较好的通用性和可扩展性。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第一章 绪论  14-36
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 无线 Mesh 网络概述  15-25
    1.2.1 无线 Mesh 网络组成  15
    1.2.2 无线 Mesh 网络结构  15-17
    1.2.3 无线 Mesh 网络特点  17-18
    1.2.4 无线 Mesh 网络优势  18-19
    1.2.5 无线 Mesh 网络应用领域  19-21
    1.2.6 无线 Mesh 网络研究现状  21-24
    1.2.7 无线 Mesh 网络相关标准  24-25
  1.3 网络编码技术概述  25-30
    1.3.1 网络编码概念  25-26
    1.3.2 典型网络编码方法  26-28
    1.3.3 网络编码技术优势  28-29
    1.3.4 网络编码研究方向  29-30
  1.4 无线 Mesh 网络路由技术概述  30-32
  1.5 研究意义与课题来源  32-33
    1.5.1 研究意义  32
    1.5.2 课题来源  32-33
  1.6 本文工作和主要贡献  33-34
  1.7 本文结构安排  34-35
  1.8 本章小结  35-36
第二章 无线 Mesh 网络路由技术研究现状  36-54
  2.1 无线 Mesh 网络路由分类  36-40
    2.1.1 先应式路由  36-37
    2.1.2 反应式路由  37-38
    2.1.3 混合式路由  38-39
    2.1.4 机会路由  39-40
  2.2 无线 Mesh 网络路由度量  40-42
  2.3 无线 Mesh 网络基于网络编码的路由分类  42-50
    2.3.1 基于流间网络编码的路由  43-46
    2.3.2 基于网络编码的混合路由  46-50
  2.4 无线 Mesh 网路由算法仿真工具概述  50-53
    2.4.1 OPNET  51
    2.4.2 QualNet  51-52
    2.4.3 NS2  52-53
  2.5 本章小结  53-54
第三章 负载均衡的编码感知多径路由  54-77
  3.1 问题提出  54-55
  3.2 相关工作  55-56
  3.3 相关定义与节点结构  56-57
  3.4 负载均衡编码感知路由度量 LCRM  57-62
    3.4.1 LCRM 考虑因素  57-58
    3.4.2 编码指示参数  58-59
    3.4.3 干扰指数  59-60
    3.4.4 负载指数  60
    3.4.5 队列占用长度计算  60-61
    3.4.6 LCRM 定义  61-62
  3.5 网络编码条件  62-67
  3.6 LCMR 路由描述  67-70
    3.6.1 路由请求  68
    3.6.2 路由应答  68-70
    3.6.3 复杂度分析  70
  3.7 仿真实验与分析  70-75
    3.7.1 仿真参数  71
    3.7.2 仿真结果  71-75
  3.8 本章小结  75-77
第四章 QoS 保证的编码感知路由  77-94
  4.1 问题提出  77-78
  4.2 相关工作  78
  4.3 问题描述  78-79
  4.4 节点结构  79-80
  4.5 节点可用带宽计算  80-82
  4.6 QoS 带宽约束的网络编码条件  82-84
  4.7 跨层编码感知度量 QCRM  84-85
  4.8 QCAR 路由描述  85-88
    4.8.1 QoS 路由请求  86
    4.8.2 QoS 路由应答  86-87
    4.8.3 QCAR 负载及复杂度分析  87-88
  4.9 仿真实验与分析  88-92
    4.9.1 仿真参数  88-89
    4.9.2 仿真结果分析  89-92
  4.10 本章小结  92-94
第五章 基于遗传算法优化的编码感知路由  94-106
  5.1 问题提出  94
  5.2 相关工作  94-95
  5.3 问题描述  95-96
  5.4 GCAR 路由描述  96-100
    5.4.1 GCAR 工作流程  96
    5.4.2 节点结构  96-97
    5.4.3 种群初始化  97-98
    5.4.4 适应度函数  98
    5.4.5 遗传操作  98-100
    5.4.6 GCAR 路由复杂度分析  100
  5.5 仿真实验与分析  100-105
    5.5.1 仿真参数  100-101
    5.5.2 仿真结果分析  101-105
  5.6 本章小结  105-106
第六章 混合网络编码感知多播路由  106-124
  6.1 问题提出  106-107
  6.2 相关工作  107-108
  6.3 流间网络编码条件  108-110
  6.4 流内网络编码方法  110-111
  6.5 HCMR 路由描述  111-118
    6.5.1 多播路由建立  111-112
    6.5.2 基于滑动窗口的数据传输机制  112-113
    6.5.3 基于零空间的反馈机制和基于网络编码的重传机制  113-118
  6.6 仿真实验与性能分析  118-122
    6.6.1 仿真参数  118-119
    6.6.2 仿真结果分析  119-122
  6.7 本章小结  122-124
第七章 基于 NS2 的编码感知路由仿真系统研究  124-132
  7.1 问题的提出  124-125
  7.2 NS2 中编码感知路由的节点设计  125-128
  7.3 NS2 中编码感知路由的数据包设计  128-131
    7.3.1 流间网络编码数据包包头设计  129-130
    7.3.2 流内网络编码数据包包头设计  130-131
  7.4 本章小结  131-132
第八章 总结与展望  132-137
  8.1 总结  132-135
  8.2 展望  135-137
参考文献  137-145
附录1 攻读博士学位期间撰写的论文  145-147
附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目  147-148
附录3 攻读博士学位期间获得的发明专利授权与申请  148-149
附录4 攻读博士学位期间获得的软件著作权登记  149-150
附录5 攻读博士学位期间参与撰写的学术专著  150-151
附录6 攻读博士学位期间获奖情况  151-152
附录7 缩略词  152-156
附录8 图表清单  156-158
致谢  158

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 移动通信
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