基于业务流动态性的无线自组织网络编码研究

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sukeyjuan
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网络编码技术以其能够大幅提升网络性能成为信息论、编码和网络领域最活跃的研究主题之一。无线自组织网络适用于无基础设施的军事、抢险和监测等重要场合。利用无线信道广播带来的空间冗余,网络编码在无线自组织网络中的应用显示了巨大的潜力。但机会网络编码在无线自组织网络中与传输层TCP协议联合使用时仍然存在吞吐量增益很小的问题。  TCP协议根据网络确认包的回复情况动态调整拥塞窗口并根据窗口大小发送数据包。这种设计决定了其业务流具有很强的突发性,并且不允许路由节点缓存大量数据包,这显著降低了TCP业务获得编码机会的概率。通过研究发现,如果在编码节点加入一个小的时延可以增加编码机会,但如果一味地追求编码机会而进行大时延等待则会导致端到端时延等性能降低,对网络性能带来负增益。本文提出对无线自组织网络中的网络流量进行建模,根据建模结果预测节点下一个数据包的到达时间,从而动态决定路由节点是否进行等待以减少无效等待,提升网络编码与TCP应用在无线自组织网中的性能。  网络流量在大的时间尺度上具有的自相似性为网络业务流的建模提供了可能,而FARIMA模型可同时描述长时相关和短时相关过程,是进行网络业务流建模的最理想工具之一。本文首先对网络业务流实现建模并预测,对采用FARIMA模型进行网络业务流的建模和预测过程的原理做了数学分析并进行了仿真实现。但建模过程中现有的分数差分参数估计方法具有估计精度低或时间复杂度高的问题,因此本文提出了提高模型分数差分参数估计精度的邻域搜索算法,首先利用时间复杂度最低的方差-时间图法对分数差分参数进行粗估计,然后利用搜索法进行粗估计值邻域内的精确搜索。仿真结果表明邻域搜索算法可以将分数差分参数估计误差控制在0.5%左右,且仅为最高时间复杂度的R/S等方法所需时间的1/20,适合于网络流量的精确实时建模以及后续的数据包到达时间预测。  其次,本文对两种特定的网络拓扑进行了网络编码的理论性能分析,并在FARIMA模型对数据包到达时间进行预测的基础上提出了路由节点的编码等待判决机制。编码节点在发送数据包时没有发现编码机会时,便会利用预测模型预测其他节点下一个数据包到达的时间,并根据等待判决门限决定是否进行等待。判决机制在与固定时延具有相同的等待时延预设值时,如果预测得到的数据包到达时间大于预设值,则不进行等待而直接发送;而固定时延方式则不论数据包是否在预设值之内到达均会进行等待,因此会有很多无效等待现象。通过仿真可以发现,编码等待判决机制相比于固定时延方式可以为网络带来6%左右的吞吐量增益,且端到端时延减小比和数据包编码比等指标也会有相应提升。
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