多射頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)組播優(yōu)化機(jī)制及算法研究.pdf

1、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WirelessMeshNetworks,WMNs)由于具備低控制開銷和高容量等特性已受到業(yè)界的廣泛關(guān)注,其骨干Mesh路由節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)靜止、能量無約束等獨(dú)有特征使得網(wǎng)絡(luò)在增加整體容量、擴(kuò)大無線覆蓋范圍、支持多頻段無線設(shè)備、提高網(wǎng)路可靠性和魯棒性等方面都顯示出了很大優(yōu)勢。近年來隨著物理硬件技術(shù)的成熟,利用多射頻多信道(Multi-radioMulti-channel,MR-MC)技術(shù)為Mesh路由節(jié)點(diǎn)裝備多個(gè)射頻接口,采用多

2、個(gè)正交信道進(jìn)行并發(fā)通信更進(jìn)一步增加了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的整體容量。目前,很多帶有組播特征的業(yè)務(wù)亟待通過MR-MCWMNs得到覆蓋范圍的延展,這些組播業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)容量、傳輸實(shí)時(shí)性、鏈路質(zhì)量等都提出了更高的需求。因此,如何為MR-MCWMNs提供高性能的組播服務(wù)是網(wǎng)絡(luò)面向?qū)嵱没年P(guān)鍵。在實(shí)際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,MR-MWMNs組播可以歸納為多約束條件下組合最優(yōu)化求解問題。該問題不僅包括網(wǎng)絡(luò)層路由優(yōu)化,還同時(shí)涉及到信道分配、帶寬分配以及傳輸速率調(diào)節(jié)等

3、其它子優(yōu)化問題。本文側(cè)重于研究組播路由和信道分配的聯(lián)合最優(yōu)化問題,并基于理論優(yōu)化成果提出了一系列針對MR-MCWMNs組播優(yōu)化問題的解決方案和算法。本文開展的研究工作如下:
　　 (1)對MR-MCWMNs組播優(yōu)化的內(nèi)涵進(jìn)行了研究。結(jié)合實(shí)際高性能的組播業(yè)務(wù)需求以及WMNs網(wǎng)絡(luò)特征給出了相適合的MR-MCWMNs組播優(yōu)化框架,并重點(diǎn)從組播路由、信道分配和帶寬分配三個(gè)層面分析了組播優(yōu)化需要解決的關(guān)鍵問題。在此基礎(chǔ)上對組播優(yōu)化框架中的

4、各項(xiàng)技術(shù)如路由度量、組播選路和信道分配等進(jìn)行綜述,詳細(xì)分析和比較了已有的相關(guān)研究工作及成果。然后,重點(diǎn)就面向?qū)嵱没腤MNs組播跨層優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了闡述。
　　 (2)對MR-MCWMNs組播最優(yōu)化理論模型進(jìn)行了研究。本文研究組播優(yōu)化的首要目標(biāo)是在確保各單流負(fù)載的前提下最大化網(wǎng)絡(luò)對混合組播業(yè)務(wù)流的承載能力,提高整體組播吞吐。基于該優(yōu)化目標(biāo),對影響組播最優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)射頻接口數(shù)目限制和同信道鄰近干擾等網(wǎng)絡(luò)約束進(jìn)行形式化分析,研究并建立了

5、MR-MCWMNs多組播流場景下組播路由吞吐最優(yōu)化模型LPT。鑒于LPT對信道分配約束的不完備性,進(jìn)一步聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)層組播路由對多組播流并發(fā)場景下的信道分配優(yōu)化問題進(jìn)行研究,建立了信道分配最優(yōu)化模型ILP-CA。此外,考慮到理論成果的實(shí)際可行性,也對物理干擾模型下組播路由和信道分配優(yōu)化問題進(jìn)行了理論研究。上述理論建模及獲得的組播優(yōu)化理論為MR-MCWMNs組播相關(guān)算法的研究及設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)和支撐。
　　 (3)對MR-MCWMN

6、s組播路由優(yōu)化子問題進(jìn)行了研究。分別從設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)目標(biāo)和分類方法三個(gè)方面對WMNs組播路由技術(shù)進(jìn)行了闡述,并詳細(xì)解析了網(wǎng)絡(luò)的多射頻多信道以及多速率特征對組播路由設(shè)計(jì)的影響。然后,基于組播路由吞吐最優(yōu)化模型LPT及其相關(guān)理論分析結(jié)論,研究了兩種適合MR-MCWMNs的負(fù)載感知組播路由度量FLMM和FLMMR,并對兩者的單調(diào)性和保序性依次進(jìn)行了分析。其中,FLMM可以感知網(wǎng)絡(luò)各信道上的流量負(fù)載分布,FLMMR則進(jìn)一步考慮了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鏈

7、路質(zhì)量的不穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上,研究并設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)型MR-MCWMNs組播路由協(xié)議MAODV-MR,并通過仿真評估了所提度量和協(xié)議的有效性。
　　 (4)對面向MR-MCWMNs組播的信道分配優(yōu)化子問題進(jìn)行了研究。結(jié)合MR-MCWMNs多組播流并發(fā)場景下信道分配最優(yōu)化模型ILP-CA及建模分析結(jié)果,研究了針對MR-MCWMNs組播樹節(jié)點(diǎn)傳輸信道分配的算法設(shè)計(jì)策略。該策略能夠從理論上保證所得信道分配算法的有效性。依據(jù)該策略,研究并

8、設(shè)計(jì)了一種面向MR-MCWMNs組播的分布式負(fù)載感知信道分配算法LCAM。LCAM以最小化網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率為信道選擇的首要目標(biāo),可以感知并減輕網(wǎng)絡(luò)各信道上的傳輸干擾。此外,通過仿真評估方法,對該算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 (5)在前面MR-MCWMNs組播優(yōu)化機(jī)制和算法研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合自主搭建的分布式機(jī)器人傳感網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)床,研究了MR-MCWMNs組播應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。具體從網(wǎng)絡(luò)配置、節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)方面對所提實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了研究