基于跨層設計的無線網絡通信多媒體傳輸技術研究

趙立新

(三門峽職業技術學院 信息傳媒學院,河南 三門峽 472000)

0 引言

隨著無線網絡應用領域的不斷擴展,無線網絡高傳輸質量、資源受限、拓撲變化、分布式狀態等問題日趨激烈化[1-3]。 在當今的環境, 無線網狀網絡(Wireless Mesh Network,WMN)正面臨著重要的挑戰,因為無線鏈路的各種動態(例如:有限的信道帶寬、嚴重的功率因數)會嚴重影響網絡性能。 基于此原因,通過廣泛的調查,多播已經引起了對無線通信的日益關注。 隨著無線通信的發展,高吞吐量多播的需求至關重要,特別是在需要高速多播傳輸的服務中。 網絡編碼(Network Coding,NC)被認為是提高通信系統吞吐量的有效技術,與多跳無線網絡中的中間節點處的傳統存儲轉發方式相比,NC 已經應用于中間節點以顯著提高無線網絡的吞吐量。 使用NC 技術對中間節點上的接收數據包執行代數線性/邏輯運算,可以節省帶寬以獲得更高的系統吞吐量。 基于NC 的WMN 中,拓撲設計對系統吞吐量有顯著影響。劉偉靜[1]提出了迭代跨層優化來為網絡規劃分配物理和媒體接入層資源,陳杰[2]在NC 的基礎上引入跨層優化的思想,提出了一種基于隨機線性網絡編碼的跨層聯合優化方法。 拓撲被證明可以影響NC 在提高系統吞吐量方面的效率,因為目標節點可能無法獲得足夠的線性依賴于基于NC 的數據包存儲原始數據包。 此外,使用WMN 中的所有可用節點來支持一組目標節點的多播會導致網絡內的能量消耗大量增加。 Zhang 等[3]的研究表明,NC 在實際無線網絡中的機會和適用性已被證明與拓撲設計有關。 因此,拓撲設計對于基于NC 的WMN 來說是一項具有挑戰性的任務,特別是對于需要高多播流量以及高質量服務(Quality of Service,QoS)的多媒體應用。

本研究考慮一個由多個多播集組成的WMN,其中每個源節點在多個同步節點的幫助下將數據多播到一組期望的目的節點。 所提出的多播拓撲設計是一種新穎的跨層方案,其研究底層的無線多播特性,同時保證多媒體用戶所需的端到端QoS。 此外,所提出的設計利用了媒體訪問控制。 多址接入信道(Multiple Access Channel, MAC)將傳輸時間、能量供應和數據速率分配給節點,而路由用于確定不同數據流的有效路徑。

1 通信冗余問題描述

通過因特網進行數據傳輸的普遍協議是TCP,TCP 是面向連接的端到端數據傳輸協議,它有兩個目標:通過錯誤或丟失檢測和重傳,實現可靠的端到端數據傳輸網絡中的擁塞控制;通過丟棄數據包來指示擁塞,從而導致源自適應地降低數據包發送率[4-5]。

TCP 的未來部署預計將包括顯式擁塞通知(Explicit Congestion Notification,ECN)機制,用于在網絡發生擁塞時通知接收方[6]。 此機制以下列方式工作:包含在TCP 數據包的標頭中的是ECN 位,該位由源設置為零。 如果路由器檢測到擁塞,它會將ECN位設置為1,并且稱該數據包被標記。 標記的分組最終到達目的地,該目的地又向源通知標記的值,源根據標記的值調整其傳輸速率。

根據擁塞度劃分函數對擁塞程度進行劃分,CCM函數如下:

其中,ω1、ω2、ω3分別表示由于節點負載、鏈路負載和信道干擾造成擁塞的權重,ω1+ ω2+ ω3= 1。LONLi 表示節點負載程度,用以量化節點造成擁塞的程度。LOLLij 表示鏈路負載程度。 LOCLi 表示信道干擾程度。

2 提出的方法

2.1 網絡和路由模型

定義1 網絡模型。 機會網絡的數學模型為G =(V,E)。 其中,鏈路集合E = ? ∪{e1,e2,…,em},em表示網絡中的鏈路m,且1 ≤m ≤n(n -1);節點集合V=(v1,v2,…,vn),n 為網絡中的節點個數,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間,tei> tsi。

2.2 算法理論分析

TCP 協議的當前部署將所有丟失解釋為與擁塞相關,無論何時通過無線信道發生丟失,TCP 源都會對此作出反應,就好像它是由于擁塞而降低了數據包傳輸速率,從而導致網絡吞吐量的損失。 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重復請求(Automatic Repeat reQuest,ARQ),但具有較低容量[7-8]。 這種方法是在網絡層使用物理層信息(信道條件)的跨層視圖以顯著提高網絡層吞吐量性能的示例[9]。 TCP/IP 協議棧跨層信息交互示意如圖1 所示。

圖1 TCP/IP 協議棧跨層信息交互示意

跨層設計研究中主要涉及均勻分布、指數分布、正態分布及馬爾科夫過程等。

均勻分布:若連續隨機變量X 的概率密度為:

則稱X 服從區間[a,b] 上的均勻分布,記為:

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

然而,在實踐中,仍然存在TCP 發送器可能無法完全屏蔽無線鏈路損耗的問題。 這可能導致TCP 擁塞控制機制對分組丟失做出反應,從而導致冗余重傳和吞吐量損失[10]。

假設鏈路為無損鏈路。 節點B 需要同時傳送給節點A 和C 的數據分組集合為MAC(分組個數為NAC,且MAC= MAnMC),即各個用戶數據流對網絡中的擁塞作出反應并調整其傳輸速率以最小化擁塞。 節點B 需要分別傳送給節點A 和C 的數據分組集合為MA和MC(NA和NC為分組個數);且0 < NA≤NC。

則原始Epidemic 路由算法所需要的轉發次數為:

使用網絡編碼之后所需要的轉發次數為:

其中,等號右端第1 項表示的是節點B 將MAC中的數據分組PAC直接多播給節點A 和節點C 的數據分組轉發次數,第2 項為節點B 將MC中剩余的數據分組PC(此時MA= ?)單播給節點C 所需轉發次數。此時,節點C 的緩存中已有該分組。 第3 項為節點B分別逐一提取MA中剩余的數據分組PA和MC中剩余的數據分組PC進行異或編碼,得到編碼組合分組PA⊕PC。

再將PA⊕PC分組多播給節點A 和節點C 所需要的轉發次數;所以有NNCBER< NER,即本文算法較Epidemic 路由算法的數據分組轉發次數少,減少量為

3 實驗結果與分析

實驗方案以電力系統中應用為例,整個區域分為5 個無線傳感器子網絡。 3 類優先級別的數據長度均設置為6 個數據包,單個通信包的長度為50 B,節點占用信道的傳輸時間為2 512 μs。 表1 為測試參數,分別用λ0、λ1 以及λ2 高、中以及低優先級別數據的產生率( kbit /s) 。 硬件環境是MacBook Pro (13",2017),CPU_Intel Core i5/顯卡_Intel Iris Plus Graphics 640,2.3 GHz,硬盤_256 G/內存_8 G。

表1 測試參數

表2 和表3 為測試結果,可以看出,在考慮鄰近節點的通信狀態,對無線傳感器網絡進行擁塞避免控制時,整個無線傳感器網絡的通信性能能夠得到較為明顯提高。

表2 不考慮鄰近節點通信狀態的測試結果

表3 考慮鄰近節點通信狀態的測試結果

4 結語

造成無線網絡擁塞的原因具有極高的復雜性,本文主要根據無線通信的跨層范式轉變,結合無線網絡協作通信的理念,研究基于跨層設計的無線網絡通信多媒體傳輸技術,提出一種新穎的網絡編碼和跨層設計相結合的高效路由算法,以根據各種服務質量約束混合網絡吞吐量,對網絡擁塞進行有效處理為解決無線網絡擁塞問題提供了新的方向,可解決無線網絡通信過程中網絡擁塞頻繁發生的情況。