（通信与信息系统专业论文）多射频多信道无线mesh网络组播优化机制及算法研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 无线m e s h 网络 w h l e s sm e s h n e t w o r k s w m n s 由于具备低控制开销和 高容量等特性已受到业界的广泛关注 其骨干m e s h 路由节点准静止 能量无约 束等独有特征使得网络在增加整体容量 扩大无线覆盖范围 支持多频段无线 设备 提高网路可靠性和鲁棒性等方面都显示出了很大优势 近年来随着物理 硬件技术的成熟 利用多射频多信道 m u l t i r a d i om u l t i c h a n n e l m r m c 技术 为m e s h 路由节点装备多个射频接口 采用多个正交信道进行并发通信更进一步 增加了无线m e s h 网络的整体容量 目前 很多带有组播特征的业务亟待通过 m r m cw m n s 得到覆盖范围的延展 这些组播业务对网络容量 传输实时性 链路质量等都提出了更高的需求 因此 如何为m r m c 删s 提供高性能的 组播服务是网络面向实用化的关键 在实际复杂网络环境下 m r m cw m n s 组播可以归纳为多约束条件下组合最优化求解问题 该问题不仅包括网络层路 由优化 还同时涉及到信道分配 带宽分配以及传输速率调节等其它子优化问 题 本文侧重于研究组播路由和信道分配的联合最优化问题 并基于理论优化 成果提出了一系列针对m r m c 删s 组播优化问题的解决方案和算法 本文 开展的研究工作如下 1 对m r m c 删s 组播优化的内涵进行了研究 结合实际高性能的组 播业务需求以及w m n s 网络特征给出了相适合的m r m c 删s 组播优化框 架 并重点从组播路由 信道分配和带宽分配三个层面分析了组播优化需要解 决的关键问题 在此基础上对组播优化框架中的各项技术如路由度量 组播选 路和信道分配等进行综述 详细分析和比较了已有的相关研究工作及成果 然 后 重点就面向实用化的删s 组播跨层优化技术进行了阐述 2 对m r m cw m n s 组播最优化理论模型进行了研究 本文研究组播优 化的首要目标是在确保各单流负载的前提下最大化网络对混合组播业务流的承 载能力 提高整体组播吞吐 基于该优化目标 对影响组播最优化的节点射频 接口数目限制和同信道邻近干扰等网络约束进行形式化分析 研究并建立了 m r m cw 删s 多组播流场景下组播路由吞吐最优化模型l p t 鉴于l p t 对信道 分配约束的不完备性 进一步联合网络层组播路由对多组播流并发场景下的信 武汉理工大学博士学位论文 道分配优化问题进行研究 建立了信道分配最优化模型i l p c a 此外 考虑到 理论成果的实际可行性 也对物理干扰模型下组播路由和信道分配优化问题进 行了理论研究 上述理论建模及获得的组播优化理论为m r m c v v m n s 组播相 关算法的研究及设计提供了理论指导和支撑 3 对m r m cw m n s 组播路由优化子问题进行了研究 分别从设计原则 设计目标和分类方法三个方面对 矿i v n s 组播路由技术进行了阐述 并详细解析 了网络的多射频多信道以及多速率特征对组播路由设计的影响 然后 基于组 播路由吞吐最优化模型l p t 及其相关理论分析结论 研究了两种适合m r m c i i v n s 的负载感知组播路由度量f l m m 和f l m m r 并对两者的单调性和保序 性依次进行了分析 其中 f l m m 可以感知网络各信道上的流量负载分布 f l m m r 则进一步考虑了实际网络环境下链路质量的不稳定性 在此基础上 研 究并设计了一种增强型m r m c 1 v n s 组播路由协议m a o d v m r 并通过仿真 评估了所提度量和协议的有效性 4 对面向m r m cw i v n s 组播的信道分配优化子问题进行了研究 结合 m r m c i 1 v n s 多组播流并发场景下信道分配最优化模型i l p c a 及建模分析结 果 研究了针对m r m cw ms 组播树节点传输信道分配的算法设计策略 该 策略能够从理论上保证所得信道分配算法的有效性 依据该策略 研究并设计 了一种面向m r m cx v v v n s 组播的分布式负载感知信道分配算法l c a m l c a m 以最小化网络带宽占用率为信道选择的首要目标 可以感知并减轻网络各信道 上的传输干扰 此外 通过仿真评估方法 对该算法的有效性进行了验证 5 在前面m r m cw m n s 组播优化机制和算法研究的基础上 结合自主 搭建的分布式机器人传感网络试验床 研究了m r m c 1 v n 组播应用系统的 实现方案 具体从网络配置 节点软件架构方面对所提实现方案进行了研究 并重点对核心组播路由 信道分配模块的数据结构及相关服务进行了分析和设 计 关键词 无线m e s h 网络 组播路由 信道分配 多射频 多信道 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t w t r e l e s sm e s hn e t w o r k s w m n s h a v ed r a w ns i g n i f i c a n ta t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s d u et ot h e i rl o wm a i n t e n a n c eo v e r h e a da n dh i g hd a t ar a t e s s u c h u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c s 嬲n o n e n e r g yc o n s t r a i n e dm e s hr o u t e r sw i t hl o w o rn o m o b i f i t y b r i n gg r e a ta d v a n t a g e st ow m n i na d d i n gn e t w o r kc a p a c i t y e n l a r g i n gs e r v i c e c o v e r a g ea r e a s u p p o r t i n gm u l t i b a n dw i r e l e s sd e v i c ea n di m p r o v i n gn e t w o r k r e l i a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s w i t hs i g n i f i c a n ta d v a n c e si np h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g i e s e q u i p p i n gm e s ht o u t e r sw i t hm u l t i p l e r a d i o sf u r t h e ri m p r o v e st h ec a p a c i t yb y t r a n s m i t t i n go v e rm u l t i p l er a d i o ss i m u l t a n e o u s l yu s i n go r t h o g o n a lc h a n n e l s r e c e n t l y m a n yc o m m e r c i a lm u l t i e a s t b a s e da p p l i c a t i o n sn e e dt ob ed e p l o y e di nm u l t i r a d i o m u l t i c h a n n e l m r m c w m n t h e s ea p p l i c a t i o n s h a v eh i g hr e q u i r e m e n t si n n e t w o r kc a p a c i t y r e a l t i m ep r o p e r t ya n dt r a n s m i s s i o nq u a l i t y t h u s h o wt op r o v i d e h i g h p e r f o r m a n c em u l t i e a s ts e i c ei sc r i t i c a lf o rm r m cw m n t of a c et h ed e m a n d o fp r a c t i c a l i t y d u et ot h ec o m p l i c a t e dc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r k s t h e o p t i m i z a t i o nf o rm u l t i c a s tt r a n s m i s s i o n si sa c t u a l l yag l o b a lo p t t m i z a t i o np r o b l e m u n d e rm u l t i c o n s t r a i n t s i ti n v o l v e sn o to n l yr o u t i n ga tn e t w o r kl a y e r b u ta l s oc h a n n e l a s s i g n m e n t b a n d w i d t ha l l o c a t i o n r a t ea d j u s t m e n t e r e i nt h i sp a p e r w em a i n l y r e s e a r c ho nt h ej o i n t o p t i m i z a t i o np r o b l e m o fm u l t i e a s t r o u t i n g a n dc h a n n e l a s s i g n m e n t a n dp r o p o s es o m es o l u t i o n s a n da l g o r i t h m sf o r o p t i m a l m u l t i c a s t t r a n s m i s s i o n si nm r m cw m n t h i sp a p e rh a sc a r r i e do u tt h ef o l l o w i n gr e s e a r e l a 1 t h ec o n n o t a t i o no fm u l t i c a s to p t i m i z a t i o ni nm r m cw m n i ss t u d i e d b y c o n s i d e r i n gt h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s o fm r m cw m n a n dt h em u l t i c a s t a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t si nr e a l i s t i cn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h em u l t i c a s to p t i m i z a t i o n f r a m e w o r ki nm r m cw m n i s p r o p o s e d a n ds o m ek e yi s s u e si nt h eo p t i m i z a t i o n f r a m e w o r ka r cp r e s e n t e da n da n a l y z e df r o mt h r e ea s p e c t so ft h em u l t i c a s tr o u t i n g c h a n n e la s s i g n m e n ta n db a n d w i d t ha l l o c a t i o n w er e v i e ws o m ek e ym u l t i c a s t t e c h n o l o g i e si nw m n s u c h i l l s r o u t i n gm e t r i c r o u t i n gp r o t o c o la n dc h a n n e l a s s i g n m e n ta l g o r i t h m t h e n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x i s t i n gr e s e a r c ha r ec o m p l e t e l y a n a l y z e da n dc o m p a r e d m o r e o y e r t h ep r a c t i c a lc r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o ni s s u ei sa l s o i i i 武汉理工大学博士学位论文 s t u d i e d 2 n em u l t i c a s to p t i m i z a t i o nm o d e li nm r m cw m n si ss t u d i e d m a x i m i z i n g t h en e t w o r k t h r o u g h p u ta n d t h en e t w o r kl o a dc a p a c i t yf o rt h em u l t i p l em u l f i c a s tf l o w s i so u rp r i m a r yo p t i m i z a t i o ng o a l a n dt h i so p t i m i z a t i o ni sc a r r i e do u tu n d e rt h e p r e r e q u i s i t e st h a tt r a f f i cd e m a n do f i n d i v i d u a lf l o w i no r d e rt oa c h i e v et h i sg o a l s u c h n e t w o r kc o n s t r a i n t sa sn o d er a d i on u m b e rl i m i t a t i o na n da d j a c e n ti n t e r f e r e n c ei nt h e s a m ec h a n n e la l ea n a l y z e d a n dt h em u l t i c a s tt h r o u g h p u to p t i m i z a t i o np r o b l e mi n c o n c u r r e n tm u l t i c a s tf l o ws c e n a r i oi sf o r m u l a t e da sal i n e a rp r o g r a m m i n g l p o d u e t ot h ei n c o m p l e t e n e s so fl p t w ea l s or e s e a r c ho p t i m a lc h a n n e la s s i g n m e n tp r o b l e m c o m b i n e dw i t hm u l t i c a s tm u t i n g t h i sj o i n to p t i m i z a t i o np r o b l e mi sm o d e l e da n d a n a l y z e df r o mt h et w oa s p e c t so fb a n d w i d t ha n dc h a n n e la n dal i n e ri n t e g e r p r o g r a m m i n g i l p c a i sf o r m u l a t e d i nc o n s i d e r a t i o no ft h ep r a c t i c a l i t yo fm o d e l s w ef u r t h e rr e s e a r c ht h ej o i n to p t i m i z a t i o np r o b l e mi n t h ec o n t e x to fp h y s i c a l i n t e r f e r e n c em o d e l 1 1 1 eo p t i m i z a t i o nm o d e l sa n dt h e o r i e sp r o v i d ee s s e n t i a lt h e o r y g u i d a n c ef o rt h es t u d yo fm u l t i c a s ta l g o r i t h m 3 t h eo p t i m a lm u l t i c a s tr o u t i n gp r o b l e mi nm r m c 硼v i n si ss t u d i e d t h e m u l t i c a s tr o u t i n gi n m n si se x p l a i n e df r o mt h r e ea s p e c t so ft h ed e s i g np r i n c i p l e t a r g e ta n dc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d a l s o t h ei n f l u e n c eo fn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c ss u c h a sm u l t i r a d i o m u l t i c h a n n e la n dm u l t i r a t eo nt h em u l t i c a s tr o u t i n gi s a n a l y z e d b a s e do nt h el p t t w ol o a d a w a r em u l t i c a s tr o u t i n gm e t r i c sn a m e df l m ma n d f l m m aa r er e s e a r c h e d a n dt h e i ri s o t o n i c i t ya n dm o n o t o n i c i t ya l ea n a l y z e d f l m m a i d s i nf i n d i n gm u l t i c a s tr o u t et h a ta r eb e t t e ri nt e r mo fr e d u c e di n t r a f l o wa n d i n t e r f l o wi n t e r f e r e n c e f l m m rf u r t h e rc o n s i d e r st h eu n r e l i a b i l i t yo fm a cm u l t i c a s t w ea l s oi n c o r p o r a t et h en e wm e t r i c si nm a o d v p r o t o c o lt op r o p o s ea l le n h a n c e d m a o d v m rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 t h e n t h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t r i c sa n d p r o t o c o la r ee m p i r i c a l l ye x a m i n e dt h r o u g hs i m u l a t i o n s 4 mo p t i m a lc h a n n e la s s i g n m e n tp r o b l e mf o re f f i c i e n tm u l t i c a s tt r a n s m i s s i o n s i nm r m c 矾 v i n si ss t u d i e d b a s e do nt h ej o i n to p t i m i z a t i o nm o d e li l p c aa n d r e l a t e da n a l y t i c a lr e s u l t sf o rt h ec h a n n e la s s i g n m e n tp r o b l e mi nc o n c u r r e n tm u l t i c a s t f l o ws c e n a r i o as e to fd e s i g ns t r a t e g i e sf o rc h a n n e la s s i g n m e n to ft r e en o d ea r e s t u d i e d i nt h e o r y t h ed e s i g ns t r a t e g i e sc a na s s u r et h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f i v 武汉理工大学博士学位论文 c h a n n e la s s i g n m e n ta l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns t r a t e g i e s w ea l s or e s e a r c ha d i s t r i b u t e dl o a d a w a r ec h a n n e la s s i g n m e n ta l g o r i t h mn a m e dl c a mf o rm u l f i c a s t t r a n s m i s s i o n sa i m e dt oi m p r o v i n gb a n d w i d t hu s a g ea n d n e t w o r kl o a dc a p a c i t y l c a mt a k e sm i n i m i z i n gt h eo c c u p a n c yr a t eo fb a n d w i d t ha st h eo p t i m a lo b j e c t i v eo f c h a n n e la s s i g n m e n t i tc a na c q u i r ea n dm i t i g a t et h ee f f e c t s o fi n t r a f l o wa n d i n t e r f l o wi n t e r f e r e n c ei ne v e r yc h a n n e l t h e s i m u l a t i o i lr e s u l t s i n d i c a t et h e e f f e c t i v e n e s so f t h i sa l g o r i t h m 5 o nt h eb a s i so ft h ea b o v em u l t i e a s to p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e s i nm r m cw m n s w er e s e a r c ht h ei m p l e m e n t a t i o no fm u l t i c a s ta p p l i c a t i o ns y s t e m w h i c he s t a b l i s h e do no u rd i s t r i b u t e ds e i l s 的rr o b o tn e t w o r kt e s t b e d i tc o v e r st h e n e t w o r kc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g i e s t h ee m p h a s i si s m a d eo nd e s i g na n da n a l y s i so fd a t as t r u c t u r e sa n ds e r v i c e sf o rt h ek e ym u l t i c a s t r o u t i n gm o d u l ea n dc h a n n e la s s i g n m e n tm o d u l e k e y w o r d s w i r e l e s s m e s hn e t w o r k s m u l t i c a s tm u t i n g c h a n n e la s s i g n m e n t m u l t i r a d i o m u l t i c h a n n e l v 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 随着无线通信技术的快速发展 人们对高宽带无线i n t e m e t 接入的需求与日 俱增 目前主要用于无线i n t e m e t 接入服务的是蜂窝移动通信网络和无线局域网 蜂窝移动通信网络需要大量的基础设施支持 成本较高 且其较低的传输速率 也无法为无线用户提供高带宽的i n t e r n e t 接入服务 即使采用目前已经应用的3 g 技术 其传输速率在高速环境中也仅支持1 4 4k b i t s 步行慢速移动环境中支持 3 8 4k b i t s 在静止状态下才能达到2m b i t s 无线局域网可在较小的范围内提供 高速服务 其下两层如果采用i e e e8 0 2 1 l b 可达1 1m b i t s 采用i e e e8 0 2 1 l a 则可达5 4m b i t s 但是 由于通常情况下其接入点的覆盖范围仅限于几百米 因此如果想在大范围内应用这种接入网络 成本将非常高 与上述两种网络相比 无线m e s h 网络 w l e s sm e s hn e t w o r k s w m n s l 作为一种定位于高容量 高速率的新型宽带多跳无线网络 则可为用户提供大 覆盖范围的高宽带无线i n t e m e t 接入服务 其主要由m e s h 路由器 m e s h 终端以 及m e s h 网关三部分组成 删s 的网络结构如图1 1 所示 其中 m e s h 路由 器位置较固定 且能量基本无约束 因此主要由其提供数据路由和网络配置的 功能 m e s h 终端通过m e s h 路由器接入网络 在特殊情况下也可以作为路由器 为其它终端提供到达网络的连接 m e s h 网关作为一种特殊的m e s h 路由器则主 要提供 v n s 与i n t e m e t 或其它网络的接入功能 v y v v n s 可以单独应用 也可 以与其它无线网络如蜂窝移动通信网络 移动a dh o e 网络 m o b i l ea dh o e n e t w o r k s m a n e t s 无线传感器网络 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s w s n s 等 进行互联互通 由于这些不同于传统无线网络的网络特点和组网方式 i v n s 在鲁棒性 可靠性 可扩展性 容错性 灵活组网 提高网络覆盖率 提高频 谱效率 增加网络容量 支持多频段无线设备 减少前期投资 服务的普遍性 以及增强连通性能和恢复性能等方面都显示出了很大的优势 其十分适合为城 市 乡村 校园等各种不同规模 不同环境下的应用提供多样化的宽带无线服 武汉理工大学博士学位论文 务 2 因此具有广阔的应用前景 图1 1 无线m e s h 网络结构图 近几年来 国内外各界对3 i v n s 都表现出了极大兴趣 相关研究项目如 r o o f n e t 3 1 m e s h d v n e t 4 t f a 5 1 以及a i o l o s l 6 等都已取得相应成果 一些国际 厂商如北电 思科 摩托罗拉 阿德利亚科技 n o k i a i n t e l s t r i x s y s t e m s s k y p i l o t 等也均拥有相关的m e s h 专用解决方案 我国对此也十分重视 已于2 0 0 7 年1 2 月由国务院审议通过的国家科技重大专项 新一代宽带无线移动通信网 中提 出了低成本广泛覆盖的宽带无线通信接入的重点实施目标 2 0 0 8 年1 2 月 2 0 0 8 无线城市高峰论坛 在北京召开 此外 在w i m e s h 和s e e m e s h 等联盟和组织 的推动下 v l g v i n s 的标准化工作也相继取得进展 如i e e e8 0 2 1 1 i e e e8 0 2 1 5 i e e e8 0 2 16 以及i e e e8 0 2 2 0 工作组都正在进行m e s h 模式的标准化工作 其中 作为w l a n 网状网专项研究和产品开发引领者的i e e e8 0 2 1 1 s 标准 7 于2 0 0 9 年 年底颁布 其对拓扑学习 路由和转发 安全性 媒介访问协议 8 0 2 1 1 服务的 兼容性 互联以及配置与管理等一系列问题进行详细定义 为实现一个自配置 自修复和自检测的w l a n 网状网标准打下坚实基础 w m n s 正处在快速发展的阶段 随着w m n s 的不断普及和对无线多媒体数 据业务需求的日益增长 终端用户也表现出对网络带宽要求更高 对覆盖要求 更广 对业务要求更加多样化的变化趋势 许多带有组播特征的业务 8 如智能交 2 武汉理工大学博士学位论文 通 实时多人在线游戏 远程教学 企业网上培训 家庭娱乐 数字化视频图 书馆 新闻点播等亟待通过w m n s 得到覆盖范围的延展 这些组播业务对网络 的容量 传输实时性 传输带宽 链路质量以及网络服务质量 q u a l i t yo f s e r v i c e q o s 等都提出了更高的需求1 9 1 0 1 因此 在无线网络资源相对有限的w m 卜t s 上提供能高效支持高吞吐 低延时等高性能组播业务的网络组播能力变得十分 必要 1 1 通过组播的通信方式 源节点只需发送一次即可使组播组中的其它节点接 受到数据包 广播可看作组播组节点为全网节点的一种特殊组播 这种通信方 式可以有效节省带宽和网络资源i l 一直以来 组播技术都是传统多跳无线网 络的研究热点 然而由于传统多跳无线网络容量约束 网络传输质量不稳定 数据流带宽分配不公平性等问题的存在 研究无线多跳网络下整体性能优化的 网络组播也一直都是一件相当有挑战性的工作 尽管与这些传统无线多跳网络 相比 v n s 在物理传输速率上已有很大改进和提高 但是其多跳组网的方式 也仍然是制约其容量进一步提升 网络进入实用阶段的瓶颈 目前已有不少学 者 1 2 1 3 1 4 1 5 1 对多跳方式组网的无线网络容量进行了深入研究 文献 1 2 指出在基 于i e e e8 0 2 1 1 的单信道多跳无线网络中 网络吞吐量正比于o w x 以一l d 文献 1 5 使用线状拓扑进行实验 结果表明随着节点数 的增加 网络吞吐量呈递减趋 势 并近似等于原始信道容量的1 i t 上述对网络容量的研究成果都反映出传统 单信道多跳无线网络所无法回避的一个共同缺陷 网络数据吞吐量会随着跳数 的增加而急剧下降 其在m a n e t s 和w s n s 中表现得尤为明显 与这些多跳无线网络不同 由于删s 路由节点准静止 能量无约束的网 络特征 网络具备更为便利的条件去尝试新的无线通信技术以期从通信层面来 根本性解决这一性能瓶颈问题 而当前已在蜂窝网络中进行广泛应用的多输入 多输出 m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t m i m o 物理通信技术 1 6 j 就给出了这样一种 有效的解决手段 其为网络节点提供多射频多信道 m u l t i r a d i om u l t i c h a n n e l m r m c 支持 通过同时进行数据收发 使成倍的提高多跳无线网络容量成为 可能 且无需扩展频谱 能有效节约频谱资源和提高能量利用率 i l l s 近年来 通信领域的专家在物理层对m i m o 技术进行了诸多研究 包括 m i m o 衰落信 道的测量和建模方法 信道容量的分析 空时编 解码方法 接收机关键技术 包 括信道估计 均衡 多用户检测等 等等 为其成熟应用于r 吼 v i n s 等其它多跳无 线网络奠定了良好的底层基础 3 武汉理工大学博士学位论文 m r m c 删s 是当前w m n s 网络发展的趋势和必然 因此也是本文开展 研究工作的目标网络 m r m c 删s 通过给节点提供多射频多信道支持 从而 为网络组播带来了更多可用的网络资源 极大程度的提升了删s 支撑高性能 组播业务的潜力 但其同时也增加了组播研究的复杂度和设计自由度 使网络 组播优化需要考虑的组合约束因素更多 高性能组播路由算法的设计更为困难 尽管近年来研究者们对m r m cw v n s 相关理论和方法开展了大量的研究工作 取得了相当的成果 但是这些研究成果主要关注的是单播通信 而针对组播的 研究则相当少 因此 在w m n 宽带无线接入网络日益受到业界重视 组播业 务需求日益增长的大环境下 如何结合已有研究工作 研究出相配套的m r m c 删s 组播优化机制和算法来保证网络充分发掘并合理利用多射频多信道资 源 提升网络组播整体性能 以尽快获取关于m r m c 删s 高性能组播理论 方法和技术上的突破 提出具有自主知识产权的m r m c 删s 组播优化的系 统解决方案 十分的必要且迫切 1 1 2 课题来源 m r m cw 烈s 组播优化机制及算法研究来源于课题 1 国家自然科学基金项目 6 0 9 7 0 0 1 9 m i m o 多跳无线网络信道分配 算法与跨层优化机制 2 湖北省自然科学基金重点项目 2 0 0 9 c d a l 3 2 异构应急无线通信 组网技术研究及应用 3 广东省部产学研项目 2 0 0 9 8 0 9 0 2 0 0 0 4 7 车载移动网络增值业务开 发平台研制 1 1 3 研究目标和意义 对m r m cw m n 组播优化相关理论和其中的关键技术如组播路由 信道 分配技术等进行研究 以期充分利用网络的多射频多信道资源使网络具备高性 能组播服务的能力 从而有效支撑起当前不断增长的删s 高性能组播业务需 求是本课题期望解决的核心问题 同时也是课题开展研究的首要目标 与单射频单信道 s i n g l e r a d i os i n g l e c h a n n e l s r s c 的w m n s 相比 m r m cw m n s 中的无线链路更加复杂多变 链路质量变化更大 网络拓扑及连 通性受信道切换及信道分配的影响变得更加难以控制 网络有效带宽的评估和 4 武汉理工大学博士学位论文 调度也更加复杂 这些问题使得以前基于s r s cw m n s 的组播相关技术无法有 效适用于m r m cw m n s 网络环境 组播研究需要考虑的影响因素和设计复杂 性均发生了较大的改变 在基于m r m c 的w m n s 网络环境下 数据的组播除 了需要进行节点间的选路外还必须决策各中继节点和中继链路的射频信道分 配 组播路径的改变必须考虑到节点射频及信道的切换问题 如果仅仅基于网 络层进行组播传输研究则无法直接对射频和信道进行调度 缓慢的射频信道切 换过程无法充分发掘网络射频信道资源 将极大影响到w m n s 组播性能的改善 l 此外 针对网络组播面向实际混合组播业务环境的实用化需求 网络层和 m a c 层还需根据应用层组播业务的q o g 需求对进入的组播流进行路由决策和带 宽分配以在保证有效接纳多组播流的同时提高网络带宽利用率 而对节点多速 率传输特性的利用也可以为网络组播带来性能上的提升 由上述分析可知 在实际复杂网络环境下 m r m c 帆狲s 组播应当归纳为 多约束条件下组合最优化求解问题 该问题不仅包括网络层路由优化 还同时 涉及到信道分配 带宽分配以及传输速率调节等其它子优化问题 因此 纯粹 基于分层的设计思想无法快速准确感知和调度多接口 多信道资源 无法适应 容量和可靠性极不稳定的无线链路 无法保证网络的最佳资源利用率和业务流 的q o g 需求 跨层联合设计将是一种必要的全局优化实现手段 l j 目前国内外 那些为数不多的相关研究也是基于联合设计的思想围绕w m n s 组播优化的各个 方面开展相关工作 并取得了一些阶段性成果 这些研究成果主要从网络层面 跨层优化展开 从研究方法上可以分为两大类 1 9 j 一类是基于启发式的优化求 解算法 这类算法能够较好的自适应各自的组合优化目标和动态的无线多跳网 络环境 易于设计实现 但算法普遍缺乏优化程度的理论支撑 大部分未提供 结果近似度的理论分析 另一类主要基于最优化的相关数理知识如原始 对偶算 法等从理论上对各种组播的各种优化组合进行研究 其分析结果严谨 优化度 高 但复杂度一般也较高 不易于算法的实用化 另外 这些研究成果大部分 都是基于理论分析和仿真实验所得出的 而基于实测环境进行m r m cw m 卜t s 组播优化的研究工作目前还不多 通过前期对国内外相关工作的研究分析 本文将m r m cw m c t s 组播优化 工作有待解决的主要问题及研究关键点归纳如下 1 缺乏组播路由专用的信道分配策略 对网络多射频多信道资源的发掘 度不够 武汉理工大学博士学位论文 物理多射频多信道通信技术为w m n s 组播引入了空间自由度和并发传输的 能力 极大程度的提升了w m n 8 承载高性能组播业务的潜力 但其同时也带来 了信道切换延时 射频接口间干扰以及多信道间交叉干扰等问题 使网络组播 优化需要考虑的组合约束因素更多 不合理的射频信道分配往往会降低网络连 通性 增大组播数据包的广播开销 反而会降低网络组播性能 目前针对组播 特性研究信道分配的工作不多 那些针对单播运行良好的信道分配策略由于未 考虑组播分支节点的无线广播属性 w i r e l e s sb r o a d c a s ta d v a n t a g e w b a 无 法同样有效的应用于组播 2 0 j 如何利用网络组播流量特征和物理多射频多信道 技术 结合网络层组播路由进行有针对性的信道分配 在保证已承载组播流q o s 不降级 网络控制数据包传输高可靠和实时性的前提下寻求信道差异和网络容 量二者间的平衡以最充分的发掘网络多射频多信道资源 是一个相当有挑战性 的问题 2 组播数据流带宽分配存在不合理性 带宽资源的利用率不高 虽然针对组播特征进行合理的射频信道分配可以有针对性的提高可供数据 组播使用的网络容量 提升网络对高性能组播业务的潜在承载能力 但是如果 在各竞争组播流间缺乏有效的带宽分配调度机制 则极易造成网络的局部流量 过热 带宽分配不公 网络带宽资源得不到充分的利用1 2 l j 合理的带宽分配应 当在满足不同组播流需求的基础上降低网络传输冲突程度 增大网络吞吐 提 高带宽资源利用率 同时兼顾分配的公平性 如何在进行组播路由操作时有效 获取实时网络组播流流量分布 并结合网络节点间可用信道及信道容量动态估 计网络链路的可用带宽 进行合理带宽分配和调度 迭代更新组播路由拓扑 动态适应网络组播业务流量变化是保证网络负载均衡 组播流服务质量 l 提 高带宽资源利用率的关键之一 而由于网络流量分布的随机不确定性 使得这 个问题具有相当的挑战性 3 网络节点传输的多速率特征未得到合理利用 与网络的多射频多信道特征相比 网络多速率特征同样为w m n 8 组播优化 提供了额外的灵活度 在传输功率恒定时 通过动态选择传输速率进行分组m a c 组播 可以在保证网络连通的条件下减少传输冲突域 提高单次传输成功率 然而 节点传输的速率多样性也使得网络链路具有非对称性 潜在的加剧了网 络隐蔽站等问题 降低了传输公平性 且较高速率的选择易增加组播传输数 增大网络冲突率 因此 如何降低节点传输速率多样性带来的不良影响 在各 6 武汉理工大学博士学位论文 项性能间求得平衡 从而为单次m a c 组播选取最优的传输速率 是提高网络组 播性能的又一关键性问题 4 组播技术难以适应不同业务流需求 m r m cw m n s 组播技术的最终设计目的是面向实用 现有针对m r m c w i v i n g 组播的研究多就某一种或几种性能需求指标进行算法的优化和设计 故 而在实际混合组播业务环境下进行实用将存在较大的局限性 如何在业务需求 特殊性和普适性间寻求平衡 实现算法对不同组播业务的q o s 动态感知 通过 业务需求和信道分配策略快速为组播流形成优化路由拓扑 进行带宽分配 是 算法最优化满足混合组播业务需求的支撑技术 也是m r m cw m n 加快实用 化的关键之一 5 组播优化多目标设计的局限性 m i m o 物理通信技术为w m n s 的组播优化带来了多射频 多信道的网络资 源 同时也带来了算法设计自由度和复杂度 基于m r m c 删s 网络环境的 组播优化可归纳为多约束条件下的组合全局最优化求解问题 在这些约束和设 计目标中 有些指标之间本身就是矛盾的 例如组播数据流传输的高吞吐和公 平性 9 此外 有些针对特定组播业务的目标必须首先得到满足 如实时多媒体 业务所需要考虑的时延和抖动 因此 如何在多目标之间进