基于跨層設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信多媒體傳輸技術(shù)研究

朱平哲，劉豐年

（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）

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)高傳輸質(zhì)量、資源受限、拓?fù)渥兓⒎植际綘顟B(tài)等問(wèn)題日趨激烈化。［1～3］在當(dāng)今環(huán)境中,無(wú)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(wú)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。出于這個(gè)原因,通過(guò)廣泛的調(diào)查,多播已經(jīng)引起了對(duì)無(wú)線通信的日益關(guān)注。隨著無(wú)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(wú)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)運(yùn)用于中間節(jié)點(diǎn)以顯著提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。通過(guò)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。目前已有文獻(xiàn)提出并研究了許多基于NC的協(xié)議用于多播信道。在基于NC的WMN中,拓?fù)湓O(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)吞吐量有顯著影響。在文獻(xiàn)［1］中,提出了迭代跨層優(yōu)化來(lái)為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃分配物理和媒體接入層資源。在文獻(xiàn)［2］中研究了優(yōu)化基于NC的多播的調(diào)度。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(wú)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(lái)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。在文獻(xiàn)［3］中,NC在實(shí)際無(wú)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(lái)說(shuō)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。

在本文中,我們考慮一個(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,研究底層的無(wú)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(wèn)控制。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。

一、通信冗余問(wèn)題描述

通過(guò)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(guò)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(guò)丟棄數(shù)據(jù)包來(lái)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(lái)部署預(yù)計(jì)將包括顯式擁塞通知（Explicit Congestion Notification,ECN）機(jī)制,用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)通知接收方。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0。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。

本文根據(jù)擁塞度劃分函數(shù)劃分擁塞程度,［6］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。

二、提出的方法

（一）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)}且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。

（二）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(wú)論何時(shí)通過(guò)無(wú)線信道發(fā)生丟失,TCP源都會(huì)對(duì)此做出反應(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。已經(jīng)提出的用于緩解該問(wèn)題的解決方案是通過(guò)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。TCP/IP協(xié)議?？鐚有畔⒔换ト鐖D1所示。

圖1 TCP/IP協(xié)議棧跨層信息交互示意圖

在跨層設(shè)計(jì)研究中主要涉及到均勻分布、指數(shù)分布、正態(tài)分布及馬爾可夫過(guò)程等。

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(wú)關(guān),而只依賴于子區(qū)間[c,c+l]的長(zhǎng)度l,即

然而,在實(shí)踐中,仍然存在TCP發(fā)送器可能無(wú)法完全屏蔽無(wú)線鏈路損耗的問(wèn)題。這可能導(dǎo)致T CP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。

假設(shè)鏈路為無(wú)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)分組集合分別為MA和M（CNA和NC為分組個(gè)數(shù)）,且0< NA≤NC。

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

三、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(wú)線傳感器子網(wǎng)絡(luò)。3類優(yōu)先級(jí)別的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均設(shè)置為6個(gè)數(shù)據(jù)包,單個(gè)通信包的長(zhǎng)度為50 B,節(jié)點(diǎn)占用信道的傳輸時(shí)間為2 512μs。表1為測(cè)試參數(shù),分別用λ0、λ1以及λ2表示高、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 640,2.3GHz,硬盤_256G/內(nèi)存_8G/。

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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擁塞避免控制時(shí),整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能能夠得到較為明顯的提高。

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

四、結(jié)論

造成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擁塞的原因具有極高的復(fù)雜性,本研究試圖概述隨著無(wú)線通信從電路交換基礎(chǔ)設(shè)施,發(fā)展到基于分組的基礎(chǔ)設(shè)施而開(kāi)始發(fā)生的跨層范式轉(zhuǎn)變,結(jié)合無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信多媒體傳輸技術(shù),為解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題提供了新的方向。針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)擁塞頻繁發(fā)生的情況,提出了一種新穎的網(wǎng)絡(luò)編碼和跨層設(shè)計(jì)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?？鐚泳W(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)似乎是真實(shí)的,并且隨著通過(guò)WLAN接口提供的容量接近可通過(guò)因特網(wǎng)主干處理的容量水平而變得越來(lái)越重要。