基于网络编码的无线Mesh网络传输关键技术研究

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1、＼．博士学位论文基于网络编码的无线Mesh网络传输关键技术研究StudyontheKeyTechn0109iesforTransmissionbasedonNe帆orkCodinginWirelessMeshNetwork作者姓名：夏卓群学科专业：学院(系、所)：指导教师：副指导教师：论文答辩日期2Q12=Q9二2鱼计算机科学与技术(计算机应用技术)信息科学与工程学院陈志刚教授赵明副教授中南大学二O一二年九月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地

2、方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。储躲衄吼进年且月丛日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信

3、息服务。作者虢慰盛导师签嫩吼丝年且月丝日摘要无线Mesh网络是一种具有广泛应用前景的无线接入系统，而目前无线Mesh网络中存在一些挑战需要解决，如网络吞吐量受限、服务质量得不到保障等。网络编码允许网络节点对接收的数据包进行加工处理，为解决无线Mesh网络问题提供了一条新途径。本文研究基于网络编码的无线Mesh网络传输关键技术，主要从传输结构和传输特性两个方面展开。针对无线Mesh网络具有多路径传输结构，本文提出基于多路径的分段网络编码算法，并研究了与多路径分段网络编码适应的传输控制协议ⅧTCP，研究了多路径网络编码中节点的博弈；针对无

4、线Mesh网络的传输特性，本文提出了基于机会路由的确定性网络编码和低时延网络编码算法，提出了自相似流量中基于同步的网络编码算法。本文对基于网络编码的无线Mesh网络传输关键技术进行了深入研究，主要工作如下：(1)针对无线网络多路径传输中数据包部分出错而丢弃的问题，提出了一种基于多路径的分段网络编码算法，并且设计了适应多路径分段网络编码的ⅧTCP。提出的基于多路径的分段网络编码算法是多路径中的传输节点将数据包以段为单位进行编码，然后把编码后的多份数据沿多条路径进行传输，有效地降低数据包因出错而重传，减少通信量。此外提出了一种适应分段网络

5、编码的ⅧTCP。在提出的方案中，网络编码层被加入到现有的网络系统，根据目的节点解码数据块的解码自由度，源节点调整发送编码的数据块，实现降低多路径传输中编码数据包超时的影响，提高网络的吞吐量。仿真结果表明所提的算法有效。(2)针对多路径传输路径中存在自私节点使网络性能下降的问题，本文研究了基于博弈理论的多路径流间网络编码，并提出一种对多路径网络编码中自私节点的激励方案。本文研究了多路径流间网络编码中节点的博弈，证明其存在纳什均衡；得到有关多路径网络编码节点博弈的特性。然后，本文提出了一种适合多路径网络编码节点博弈的激励方案。在多路径传输

6、中，使用看门狗检测自私节点的存在。在检测到自私节点后，对于多路径中的自私节点，采用不合作的方法惩罚。证明了如果按照激励方案，各节点可以达到纳什均衡。仿真验证了理论分析。(3)针对目前无线Mesh网络无法满足流媒体的服务质量问题，本文研究了机会路由转发侯选集中编码节点选择的问题，提出一种基于机会路由的确定性网络编码。采用机会路由下无线Mesh网络的链路吞吐量模型，利用确定性网络演算理论，得到无线Mesh网络节点数据积压的上界以及端到端数据流延迟和抖动的上界；然后设计满足流媒体服务质量的确定性网络编码(DNC)，提出ETC作为确定机会路由

7、中编码节点的指标；提出ETP作为机会路由中选择候选节点的指标。仿真表明吞吐量在增加的同时，端到端的延时和抖动值得到下降。(4)针对现有基于机会路由的网络编码解码延迟较高，无法满足流媒体无线Mesh网络要求的问题，提出一种低时延的网络编码。该低时延网络编码包括可变长度网络编码和候选节点反馈。提出和详细分析了基于机会路由的可变长度网络编码(Ⅵ．一NC)的编码和解码延迟，可靠性；然后提出了候选结点反馈(Q盯)编码数据包的方法。给出了低时延网络编码的算法，在候选结点采用计数器来保证中间节点输出相同秩，在目的节点不能构成满秩解码矩阵时，向候选节

8、点反馈查找所需要的解码向量，实现缩短解码时间。通过仿真，结果表明所提出的低时延网络编码能够降低时延，可以满足无线Mesh网络中流媒体应用。(5)针对自相似流会造成网络中队列长度增加、数据包丢失增加的问题，本文提出自相似流