趙立新

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息傳媒學(xué)院,河南 三門峽 472000)

0 引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,無線網(wǎng)絡(luò)高傳輸質(zhì)量、資源受限、拓?fù)渥兓?、分布式狀態(tài)等問題日趨激烈化[1-3]。 在當(dāng)今的環(huán)境, 無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network,WMN)正面臨著重要的挑戰(zhàn),因?yàn)闊o線鏈路的各種動(dòng)態(tài)(例如:有限的信道帶寬、嚴(yán)重的功率因數(shù))會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能。 基于此原因,通過廣泛的調(diào)查,多播已經(jīng)引起了對(duì)無線通信的日益關(guān)注。 隨著無線通信的發(fā)展,高吞吐量多播的需求至關(guān)重要,特別是在需要高速多播傳輸?shù)姆?wù)中。 網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding,NC)被認(rèn)為是提高通信系統(tǒng)吞吐量的有效技術(shù),與多跳無線網(wǎng)絡(luò)中的中間節(jié)點(diǎn)處的傳統(tǒng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式相比,NC 已經(jīng)應(yīng)用于中間節(jié)點(diǎn)以顯著提高無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。 使用NC 技術(shù)對(duì)中間節(jié)點(diǎn)上的接收數(shù)據(jù)包執(zhí)行代數(shù)線性/邏輯運(yùn)算,可以節(jié)省帶寬以獲得更高的系統(tǒng)吞吐量。 基于NC 的WMN 中,拓?fù)湓O(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)吞吐量有顯著影響。劉偉靜[1]提出了迭代跨層優(yōu)化來為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃分配物理和媒體接入層資源,陳杰[2]在NC 的基礎(chǔ)上引入跨層優(yōu)化的思想,提出了一種基于隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的跨層聯(lián)合優(yōu)化方法。 拓?fù)浔蛔C明可以影響NC 在提高系統(tǒng)吞吐量方面的效率,因?yàn)槟繕?biāo)節(jié)點(diǎn)可能無法獲得足夠的線性依賴于基于NC 的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)包。 此外,使用WMN 中的所有可用節(jié)點(diǎn)來支持一組目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的多播會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的能量消耗大量增加。 Zhang 等[3]的研究表明,NC 在實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)會(huì)和適用性已被證明與拓?fù)湓O(shè)計(jì)有關(guān)。 因此,拓?fù)湓O(shè)計(jì)對(duì)于基于NC 的WMN 來說是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),特別是對(duì)于需要高多播流量以及高質(zhì)量服務(wù)(Quality of Service,QoS)的多媒體應(yīng)用。

本研究考慮一個(gè)由多個(gè)多播集組成的WMN,其中每個(gè)源節(jié)點(diǎn)在多個(gè)同步節(jié)點(diǎn)的幫助下將數(shù)據(jù)多播到一組期望的目的節(jié)點(diǎn)。 所提出的多播拓?fù)湓O(shè)計(jì)是一種新穎的跨層方案,其研究底層的無線多播特性,同時(shí)保證多媒體用戶所需的端到端QoS。 此外,所提出的設(shè)計(jì)利用了媒體訪問控制。 多址接入信道(Multiple Access Channel, MAC)將傳輸時(shí)間、能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)速率分配給節(jié)點(diǎn),而路由用于確定不同數(shù)據(jù)流的有效路徑。

1 通信冗余問題描述

通過因特網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠毡閰f(xié)議是TCP,TCP 是面向連接的端到端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,它有兩個(gè)目標(biāo):通過錯(cuò)誤或丟失檢測(cè)和重傳,實(shí)現(xiàn)可靠的端到端數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制;通過丟棄數(shù)據(jù)包來指示擁塞,從而導(dǎo)致源自適應(yīng)地降低數(shù)據(jù)包發(fā)送率[4-5]。

TCP 的未來部署預(yù)計(jì)將包括顯式擁塞通知(Explicit Congestion Notification,ECN)機(jī)制,用于在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)通知接收方[6]。 此機(jī)制以下列方式工作:包含在TCP 數(shù)據(jù)包的標(biāo)頭中的是ECN 位,該位由源設(shè)置為零。 如果路由器檢測(cè)到擁塞,它會(huì)將ECN位設(shè)置為1,并且稱該數(shù)據(jù)包被標(biāo)記。 標(biāo)記的分組最終到達(dá)目的地,該目的地又向源通知標(biāo)記的值,源根據(jù)標(biāo)記的值調(diào)整其傳輸速率。

根據(jù)擁塞度劃分函數(shù)對(duì)擁塞程度進(jìn)行劃分,CCM函數(shù)如下:

其中,ω1、ω2、ω3分別表示由于節(jié)點(diǎn)負(fù)載、鏈路負(fù)載和信道干擾造成擁塞的權(quán)重,ω1+ ω2+ ω3= 1。LONLi 表示節(jié)點(diǎn)負(fù)載程度,用以量化節(jié)點(diǎn)造成擁塞的程度。LOLLij 表示鏈路負(fù)載程度。 LOCLi 表示信道干擾程度。

2 提出的方法

2.1 網(wǎng)絡(luò)和路由模型

定義1 網(wǎng)絡(luò)模型。 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型為G =(V,E)。 其中,鏈路集合E = ? ∪{e1,e2,…,em},em表示網(wǎng)絡(luò)中的鏈路m,且1 ≤m ≤n(n -1);節(jié)點(diǎn)集合V=(v1,v2,…,vn),n 為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),且n > 1。

定義2 路由模型。 用{ei, (tsi,tei)},1 ≤i ≤n(n -1)表示1 條鏈路,tsi、tei分別為該鏈路的生成和終止時(shí)間,tei> tsi。

2.2 算法理論分析

TCP 協(xié)議的當(dāng)前部署將所有丟失解釋為與擁塞相關(guān),無論何時(shí)通過無線信道發(fā)生丟失,TCP 源都會(huì)對(duì)此作出反應(yīng),就好像它是由于擁塞而降低了數(shù)據(jù)包傳輸速率,從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量的損失。 目前,用于緩解該問題的解決方案是通過合適的編碼和鏈路層自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(Automatic Repeat reQuest,ARQ),但具有較低容量[7-8]。 這種方法是在網(wǎng)絡(luò)層使用物理層信息(信道條件)的跨層視圖以顯著提高網(wǎng)絡(luò)層吞吐量性能的示例[9]。 TCP/IP 協(xié)議?？鐚有畔⒔换ナ疽馊鐖D1 所示。

圖1 TCP/IP 協(xié)議棧跨層信息交互示意

跨層設(shè)計(jì)研究中主要涉及均勻分布、指數(shù)分布、正態(tài)分布及馬爾科夫過程等。

均勻分布:若連續(xù)隨機(jī)變量X 的概率密度為:

則稱X 服從區(qū)間[a,b] 上的均勻分布,記為:

若隨機(jī)變量X 在區(qū)間[a,b] 上服從均勻分布,則它落在[a,b] 的任意子區(qū)間內(nèi)的概率與子區(qū)間的位置無關(guān),而是只依賴于子區(qū)間[c,c + l] 的長度l,即:

然而,在實(shí)踐中,仍然存在TCP 發(fā)送器可能無法完全屏蔽無線鏈路損耗的問題。 這可能導(dǎo)致TCP 擁塞控制機(jī)制對(duì)分組丟失做出反應(yīng),從而導(dǎo)致冗余重傳和吞吐量損失[10]。

假設(shè)鏈路為無損鏈路。 節(jié)點(diǎn)B 需要同時(shí)傳送給節(jié)點(diǎn)A 和C 的數(shù)據(jù)分組集合為MAC(分組個(gè)數(shù)為NAC,且MAC= MAnMC),即各個(gè)用戶數(shù)據(jù)流對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的擁塞作出反應(yīng)并調(diào)整其傳輸速率以最小化擁塞。 節(jié)點(diǎn)B 需要分別傳送給節(jié)點(diǎn)A 和C 的數(shù)據(jù)分組集合為MA和MC(NA和NC為分組個(gè)數(shù));且0 < NA≤NC。

則原始Epidemic 路由算法所需要的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為:

使用網(wǎng)絡(luò)編碼之后所需要的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為:

其中,等號(hào)右端第1 項(xiàng)表示的是節(jié)點(diǎn)B 將MAC中的數(shù)據(jù)分組PAC直接多播給節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)C 的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),第2 項(xiàng)為節(jié)點(diǎn)B 將MC中剩余的數(shù)據(jù)分組PC(此時(shí)MA= ?)單播給節(jié)點(diǎn)C 所需轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。此時(shí),節(jié)點(diǎn)C 的緩存中已有該分組。 第3 項(xiàng)為節(jié)點(diǎn)B分別逐一提取MA中剩余的數(shù)據(jù)分組PA和MC中剩余的數(shù)據(jù)分組PC進(jìn)行異或編碼,得到編碼組合分組PA⊕PC。

再將PA⊕PC分組多播給節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)C 所需要的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù);所以有NNCBER< NER,即本文算法較Epidemic 路由算法的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)少,減少量為

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)方案以電力系統(tǒng)中應(yīng)用為例,整個(gè)區(qū)域分為5 個(gè)無線傳感器子網(wǎng)絡(luò)。 3 類優(yōu)先級(jí)別的數(shù)據(jù)長度均設(shè)置為6 個(gè)數(shù)據(jù)包,單個(gè)通信包的長度為50 B,節(jié)點(diǎn)占用信道的傳輸時(shí)間為2 512 μs。 表1 為測(cè)試參數(shù),分別用λ0、λ1 以及λ2 高、中以及低優(yōu)先級(jí)別數(shù)據(jù)的產(chǎn)生率( kbit /s) 。 硬件環(huán)境是MacBook Pro (13",2017),CPU_Intel Core i5/顯卡_Intel Iris Plus Graphics 640,2.3 GHz,硬盤_256 G/內(nèi)存_8 G。

表1 測(cè)試參數(shù)

表2 和表3 為測(cè)試結(jié)果,可以看出,在考慮鄰近節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài),對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擁塞避免控制時(shí),整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能能夠得到較為明顯提高。

表2 不考慮鄰近節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果

表3 考慮鄰近節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

造成無線網(wǎng)絡(luò)擁塞的原因具有極高的復(fù)雜性,本文主要根據(jù)無線通信的跨層范式轉(zhuǎn)變,結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信的理念,研究基于跨層設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)通信多媒體傳輸技術(shù),提出一種新穎的網(wǎng)絡(luò)編碼和跨層設(shè)計(jì)相結(jié)合的高效路由算法,以根據(jù)各種服務(wù)質(zhì)量約束混合網(wǎng)絡(luò)吞吐量,對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞進(jìn)行有效處理為解決無線網(wǎng)絡(luò)擁塞問題提供了新的方向,可解決無線網(wǎng)絡(luò)通信過程中網(wǎng)絡(luò)擁塞頻繁發(fā)生的情況。