基于跨层设计的无线网络通信多媒体传输技术研究

朱平哲，刘丰年

（三门峡职业技术学院 信息传媒学院， 河南 三门峡 472000）

随着无线网络应用领域的不断扩展,无线网络高传输质量、资源受限、拓扑变化、分布式状态等问题日趋激烈化。［1～3］在当今环境中,无线网状网络（Wireless Mesh Network,WMN）正面临着重要的挑战,因为无线链路的各种动态（例如,有限的信道带宽、严重的功率因数）会严重影响网络性能。出于这个原因,通过广泛的调查,多播已经引起了对无线通信的日益关注。随着无线通信的发展,高吞吐量多播的需求至关重要,特别是在需要高速多播传输的服务中。网络编码（Network Coding,NC）被认为是提高通信系统吞吐量的有效技术。与多跳无线网络中的中间节点处的传统存储转发方式相比,NC已经运用于中间节点以显著提高无线网络的吞吐量。通过使用NC技术对中间节点上的接收数据包执行代数线性/逻辑运算,可以节省带宽以获得更高的系统吞吐量。目前已有文献提出并研究了许多基于NC的协议用于多播信道。在基于NC的WMN中,拓扑设计对系统吞吐量有显著影响。在文献［1］中,提出了迭代跨层优化来为网络规划分配物理和媒体接入层资源。在文献［2］中研究了优化基于NC的多播的调度。拓扑被证明可以影响NC在提高系统吞吐量方面的效率,因为目标节点可能无法获得足够的线性依赖于基于NC的数据包存储原始数据包。此外,使用WMN中的所有可用节点来支持一组目标节点的多播会导致网络内的能量消耗大量增加。在文献［3］中,NC在实际无线网络中的机会和适用性已被证明与拓扑设计有关。因此,拓扑设计对于基于NC的WMN来说是一项具有挑战性的任务,特别是对于需要高多播流量以及高质量服务（Quality of Service,QoS）的多媒体应用。

在本文中,我们考虑一个由多个多播集组成的WMN,其中每个源节点在多个同步节点的帮助下将数据多播到一组期望的目的节点。所提出的多播拓扑设计是一种新颖的跨层方案,研究底层的无线多播特性,同时保证多媒体用户所需的端到端QoS。此外,所提出的设计利用了媒体访问控制。MAC将传输时间、能量供应和数据速率分配给节点,而路由用于确定不同数据流的有效路径。

一、通信冗余问题描述

通过因特网进行数据传输的普遍协议是TCP,TCP是面向连接的端到端数据传输协议,它有两个目标：通过错误或丢失检测和重传,实现可靠的端到端数据传输网络中的拥塞控制,通过丢弃数据包来指示拥塞,从而导致源自适应地降低数据包发送率。［4～5］

TCP的未来部署预计将包括显式拥塞通知（Explicit Congestion Notification,ECN）机制,用于网络发生拥塞时通知接收方。此机制以下列方式工作：包含在TCP数据包的标头中的是ECN位,该位由源设置为0。如果路由器检测到拥塞,它会将ECN位设置为1,并且称该数据包被标记。标记的分组最终到达目的地,该目的地又向源通知标记的值,源根据标记的值调整其传输速率。

本文根据拥塞度划分函数划分拥塞程度,［6］CCM函数如下：

其中ω1、ω2、ω3分别表示由于节点负载、链路负载和信道干扰造成拥塞的权重,ω1+ω2+ω3= 1。LONLi表示节点负载程度,用以量化节点造成拥塞的程度；LOLLij表示链路负载程度；LOCLi表示信道干扰程度。

二、提出的方法

（一）网络和路由模型

定义1 网络模型。机会网络的数学模型为G=(V,E)。其中,链路集合E= ∅⋃{e1,e2,...,em} ,em表示网络中的链路m,且1 ≤m≤n(n- 1 )；节点集合V=(v1,v2,...,vn),n为网络中的节点个数,且n>1。

定义2 路由模型。用{ei,(tsi,tei)}且1 ≤i≤n(n- 1)表示1条链路,tsi、tei分别为该链路的生成和终止时间,tei>tsi。

（二）算法理论分析

TCP协议的当前部署将所有丢失解释为与拥塞相关,无论何时通过无线信道发生丢失,TCP源都会对此做出反应,就好像它是由于拥塞而降低了数据包传输速率,从而导致网络吞吐量的损失。已经提出的用于缓解该问题的解决方案是通过合适的编码和链路层自动重复请求（Automatic Repeat reQuest,ARQ）,但具有较低容量。［7～8］这种方法是在网络层使用物理层信息（信道条件）的跨层视图以显著提高网络层吞吐量性能的示例。TCP/IP协议栈跨层信息交互如图1所示。

图1 TCP/IP协议栈跨层信息交互示意图

在跨层设计研究中主要涉及到均匀分布、指数分布、正态分布及马尔可夫过程等。

若连续随机变量X的概率密度为

则称X服从区间[a,b]上的均匀分布,记为

若随机变量X在区间[a,b]上服从均匀分布,则它落在[a,b]的任意子区间内的概率与子区间的位置无关,而只依赖于子区间[c,c+l]的长度l,即

然而,在实践中,仍然存在TCP发送器可能无法完全屏蔽无线链路损耗的问题。这可能导致T CP拥塞控制机制对分组丢失做出反应,从而导致冗余重传和吞吐量损失。

假设链路为无损链路。节点B需要同时传送给节点A和C的数据分组集合为MAC（分组个数为NAC,且MAC=MAnMC）,即各个用户数据流对网络中的拥塞作出反应并调整其传输速率以最小化拥塞；节点B需要分别传送给节点A和C的数据分组集合分别为MA和M（CNA和NC为分组个数）,且0< NA≤NC。

使用网络编码之后所需要的转发次数为

其中,等号右端第1项表示的是节点B将MAC中的数据分组PAC直接多播给节点A和节点C的数据分组转发次数；第2项为节点B将MC中剩余的数据分组PC（此时MA= ∅）单播给节点C所需转发次数,此时节点C的缓存中已有该分组；第3项为节点B分别逐一提取MA中剩余的数据分组PA和MC中剩余的数据分组PC进行异或编码,得到编码组合分组PA⊕PC；再将PA⊕PC分组多播给节点A和节点C所需要的转发次数,所以有NNCBER

三、实验结果与分析

实验方案以电力系统中应用为例,整个区域分为5个无线传感器子网络。3类优先级别的数据长度均设置为6个数据包,单个通信包的长度为50 B,节点占用信道的传输时间为2 512µs。表1为测试参数,分别用λ0、λ1以及λ2表示高、中以及低优先级别数据的产生率（kbit/s）。硬件环境是MacBook Pro（13",2017）,CPU_Intel Core i5/显卡_Intel Iris Plus Graphics 640,2.3GHz,硬盘_256G/内存_8G/。

表1 测试参数

表2和表3为测试结果。可以看出,在考虑邻近节点的通信状态,对无线传感器网络进行拥塞避免控制时,整个无线传感器网络的通信性能能够得到较为明显的提高。

表2 不考虑邻近节点通信状态的测试结果

表3 考虑邻近节点通信状态的测试结果

四、结论

造成无线网络拥塞的原因具有极高的复杂性,本研究试图概述随着无线通信从电路交换基础设施,发展到基于分组的基础设施而开始发生的跨层范式转变,结合无线网络协作通信的理念,研究基于跨层设计的无线网络通信多媒体传输技术,为解决无线网络拥塞问题提供了新的方向。针对无线网络通信过程中网络拥塞频繁发生的情况,提出了一种新颖的网络编码和跨层设计结合的高效路由算法,以根据各种服务质量约束混合网络吞吐量,对网络拥塞进行有效处理。跨层网络的优势似乎是真实的,并且随着通过WLAN接口提供的容量接近可通过因特网主干处理的容量水平而变得越来越重要。