網(wǎng)絡(luò)編碼在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的應(yīng)用.pdf

1、WMN(Wireless Mesh Network，無線網(wǎng)狀網(wǎng))是一種全新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其核心是讓網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號。WMN是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多跳系統(tǒng)，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)存在多條冗余的通信路徑。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)都具備自動路由功能，并且只和鄰近節(jié)點(diǎn)通信，因此WMN是一種自組織、自管理、自動修復(fù)、自我平衡的智能網(wǎng)絡(luò)。WMN的傳輸路徑是動態(tài)的，所以又稱為多跳網(wǎng)絡(luò)。它是一個動態(tài)的，可以不斷擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并能有效地在無線設(shè)備之間傳輸信

2、息。Internet由許多個路由節(jié)點(diǎn)組成，路由器能夠?yàn)閿?shù)據(jù)包選擇從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)最近和最優(yōu)的路徑。WMN能夠自動尋找最佳路徑來轉(zhuǎn)發(fā)分組，這些特點(diǎn)使WMN相對傳統(tǒng)無線網(wǎng)的點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)具有無可比擬的優(yōu)勢。 WMN是由Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的相對靜態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)，是Internet的無線接入網(wǎng)絡(luò)。WMN具有自組織、自配置和自治愈的特點(diǎn)，能夠自動地將各個節(jié)點(diǎn)組織起來建立一個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)并維持網(wǎng)狀網(wǎng)的連通性，具有有效的移動用戶

3、管理和跟蹤機(jī)制，是一種多跳的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也是一種高容量、高速率、低功耗、低成本的分布式網(wǎng)絡(luò)。近幾年來，無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)，并獲得了眾多成功的商業(yè)應(yīng)用，成為了下一代無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，無線網(wǎng)狀網(wǎng)仍然存在著諸如容量和范圍增強(qiáng)、安全性、性能、功耗、帶寬公平和多跳路由選擇等問題，這些問題嚴(yán)重制約著無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。無線網(wǎng)狀網(wǎng)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，采用的路由技術(shù)主要是從Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中移植過來的，并不能完全適合無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

4、 WMN吸收了星型與網(wǎng)狀兩種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，是對兩者的一種無縫融合，這種融合是通過在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行Wireless Mesh Routing(MR)協(xié)議來完成的。WMN中主要存在兩種網(wǎng)絡(luò)實(shí)體：移動節(jié)點(diǎn)(MN)與接入點(diǎn)(AP)。WMN的每個節(jié)點(diǎn)都具備路由選擇功能，而且每個節(jié)點(diǎn)只能與其臨近節(jié)點(diǎn)通信。在網(wǎng)絡(luò)中MN既是業(yè)務(wù)的使用者又是業(yè)務(wù)的提供者，即：它具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)(MN或AP)轉(zhuǎn)發(fā)其接收到的數(shù)據(jù)包分組，因而WMN也是

5、一種自組織和自管理的網(wǎng)絡(luò)。 WMN是一種非常適合于覆蓋大面積開放區(qū)城(包括室外和室內(nèi))的無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)解決方案.無線Mesh網(wǎng)的特點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)由一組呈網(wǎng)狀分布的無線AP構(gòu)成,AP均采用點(diǎn)對點(diǎn)方式通過無線中繼鏈路互聯(lián)，WMN將傳統(tǒng)WLAN中的無線“熱點(diǎn)”擴(kuò)展為真正大面積覆蓋的無線”熱區(qū)”。 這種結(jié)構(gòu)帶來的好處包括： (1)自配置。WMN中AP具備自動配置和集中管理能力，簡化了網(wǎng)絡(luò)的管理維護(hù)。 (2)自愈合。W

6、MN中AP具備自動發(fā)現(xiàn)和動態(tài)路由連接功能，消除了單點(diǎn)故障對業(yè)務(wù)的影響，能夠提供冗余路徑。 (3)高帶寬。WMN將傳統(tǒng)WLAN的“熱點(diǎn)”覆蓋擴(kuò)展為更大范圍的“熱區(qū)”覆蓋，消除了原有的WLAN隨距離增加導(dǎo)致帶寬下降的缺陷。另外，在采用Mesh結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，信號能夠避開障礙物的干擾而暢通無阻地傳送，消除了盲區(qū)。 (4)兼容性。Mesh采用標(biāo)準(zhǔn)的802.11b/g制式，可廣泛地兼容無線客戶終端。 除此之外，無線Mesh還

7、提供更好的移動漫游能力，以及端到端的安全連接等等。 WMN以多跳路由的風(fēng)格擴(kuò)展當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋而不犧牲信道容量，其另一個目標(biāo)就是在用戶間提供非視距的連接。通過連接距離的縮短，節(jié)點(diǎn)間接口的減少以及更有效的頻率復(fù)用，WMN能夠達(dá)到更高的吞吐量。盡管WMN具有許多優(yōu)點(diǎn)，但目前WMN還是一個新生事物，和所有其它的新生事物一樣，它在發(fā)展初期總是會存在一些不足和缺點(diǎn)： 首先，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，無線網(wǎng)狀網(wǎng)具有類似互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但它同

8、時也遺傳了互聯(lián)網(wǎng)的一些不足乃至隱患，其中最為突出的就是網(wǎng)絡(luò)安全問題。在一個多終端的WMN中，安全的數(shù)據(jù)流量在到達(dá)接收端之前可能要通過多個未授權(quán)的節(jié)點(diǎn)，這會給黑客們創(chuàng)造出可乘之機(jī)。當(dāng)無線網(wǎng)狀網(wǎng)大面積鋪開的時候，這些問題將會變得更加突出。所以，如何增強(qiáng)它的安全性是需要重點(diǎn)考慮的問題。 其次，從無線技術(shù)的市場推廣角度而言，WMN走了一條與WiMAX截然不同的路線。WiMAX所走的是相對清晰的標(biāo)準(zhǔn)化市場路線，而WMN則采取了先商用后標(biāo)準(zhǔn)

9、的市場策略。顯然WMN在市場推廣方面缺乏足夠的策略。 繼而，從推動力量來說，WMN的推動力量主要還是來自于一些新興的企業(yè)。雖然一些重量級的公司表示了對WMN的興趣，但是，已經(jīng)形成的產(chǎn)品大多來自于一些不太知名的廠家。所以，到目前為止，WMN的推動力量還稍顯不足。 最后，從普及應(yīng)用方面來講。這些新興的企業(yè)已經(jīng)按照私有協(xié)議制作了產(chǎn)品，這會給標(biāo)準(zhǔn)制定工作帶來負(fù)面影響。將來WMN在得到普及應(yīng)用時，不同廠家之間產(chǎn)品的互通也是一個需要

10、解決的問題。 隨著當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，大容量文件傳輸和多媒體應(yīng)用越來越廣泛。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，傳統(tǒng)的客戶、服務(wù)器架構(gòu)(Client/Server)對提供服務(wù)的數(shù)據(jù)源的要求越來越高。雖然網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器的運(yùn)算能力不斷增強(qiáng)，但仍然無法為數(shù)以億計的用戶同時服務(wù)，無法滿足指數(shù)級增長的互聯(lián)網(wǎng)用戶的需求。為了解決這樣的問題，本文提出對網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)增加可管理能力，進(jìn)行二次編碼，即網(wǎng)絡(luò)編碼(networkcoding)。 網(wǎng)絡(luò)編碼的思想由Ah

11、lswede等人提出。他們首先證明，使用網(wǎng)絡(luò)編碼可以達(dá)到有向網(wǎng)絡(luò)的組播容量，即源節(jié)點(diǎn)和每個目的節(jié)點(diǎn)之間最大流中的最小值。而在路由方式中，該容量一般是無法達(dá)到的。此后，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)編碼的理論研究集中在如何有效地構(gòu)造具體的編碼方案上。Li和Koetter等人分別研究了線性網(wǎng)絡(luò)編碼(Linear Network Coding)，證明只需運(yùn)用線性編碼即可達(dá)到網(wǎng)絡(luò)容量。接著，Jaggi等人給出了在多項(xiàng)式時間內(nèi)構(gòu)造線性網(wǎng)絡(luò)編碼的集中式算法。Ho等人隨后

12、提出了隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼(Random Linear Network Coding)的概念，指出每個編碼節(jié)點(diǎn)獨(dú)立選取線性編碼系數(shù)時，目的節(jié)點(diǎn)仍能以極大的概率達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的組播容量。隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼具有分布式的特性，無須事先確定編碼系數(shù)，因此適合網(wǎng)絡(luò)編碼的實(shí)際應(yīng)用。 目前使用網(wǎng)絡(luò)編碼建立的對等網(wǎng)絡(luò)主要有以下幾種應(yīng)用：資源共享、協(xié)同工作、邊緣服務(wù)、搜索引擎。 (1)資源共享是通過共享對等網(wǎng)絡(luò)中的資源構(gòu)造業(yè)務(wù)模式。例如，Napste

13、r公司的搜索并共享MP3文件的軟件。公司希望通過與唱片公司的交易獲利，也希望從出售CD中贏利。Flycode公司開發(fā)了一種軟件，可以傳送視頻和圖像文件。 (2)協(xié)同工作是協(xié)調(diào)P2P網(wǎng)絡(luò)中的計算機(jī)完成同一計算任務(wù)。Intel公司的芯片開發(fā)人員充分利用分布在世界各地的工作站上的一萬臺PC的閑置硬盤空間和計算能力，從而省去了超過5億美元的經(jīng)費(fèi)。它已經(jīng)聯(lián)合世界多家知名的高科技公司組成了一個新的工作組，試圖以更強(qiáng)大的實(shí)力構(gòu)筑面向商務(wù)環(huán)境的

14、基于網(wǎng)絡(luò)編碼的體系。SETI@HOME項(xiàng)目是網(wǎng)絡(luò)編碼構(gòu)成的對等網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作的一個成功典范。該項(xiàng)目在一九九九年初開始將分布于世界各地的兩百萬臺個人電腦組成計算機(jī)陣列，搜索射電天文望遠(yuǎn)鏡信號中的外星文明跡象。 (3)邊緣服務(wù)是利用P2P網(wǎng)絡(luò)為用戶提供基于邊緣模式的電子商務(wù)等服務(wù)。 (4)搜索引擎使用戶深度搜索文檔成為可能，為互聯(lián)網(wǎng)的信息搜索提供了全新的解決方案，其基本特性在前面已經(jīng)介紹，在Napster和Gnutella系統(tǒng)

15、中都有這樣的應(yīng)用。著名的搜索引擎公司Google(谷歌)也宣稱要采用對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改進(jìn)其搜索引擎。 網(wǎng)絡(luò)編碼作為一種新技術(shù)在寬帶無線自組織網(wǎng)絡(luò)中有很好的應(yīng)用。通過網(wǎng)絡(luò)編碼，中間節(jié)點(diǎn)可以將收到的信息進(jìn)行編碼并發(fā)送出去，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和健壯性。為了不對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)備和相應(yīng)的協(xié)議做很大的修改，可以選擇在高層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和WMN等無線自組織網(wǎng)絡(luò)都可以使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)顯著提高多跳鏈路的傳輸性能。目前網(wǎng)絡(luò)編碼的研究熱點(diǎn)

16、集中在網(wǎng)絡(luò)編碼節(jié)點(diǎn)選取方案、網(wǎng)絡(luò)編碼算法的設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)編碼復(fù)雜度分析、網(wǎng)絡(luò)編碼的性能分析、網(wǎng)絡(luò)編碼與系統(tǒng)安全性分析、網(wǎng)絡(luò)編碼在無線分布式網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用等方面。 對網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的研究需要在加深理論研究的同時考慮實(shí)際的應(yīng)用場景，側(cè)重解決實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題，比如需要降低編碼復(fù)雜度，需要考慮系統(tǒng)本身的延時以及網(wǎng)絡(luò)編碼帶來的延時影響等。網(wǎng)絡(luò)編碼在無線通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的應(yīng)用是一片亟待開發(fā)的熱土，一方面無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性非常利于網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用：另一

17、方面，相對于有線網(wǎng)絡(luò)而言，無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不可能同時監(jiān)聽來自多個源的信息，這對網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用造成了一定的阻礙。如何結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)揚(yáng)長避短，找到能夠最大程度發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)編碼優(yōu)勢的結(jié)合點(diǎn)，是需要考慮的主要問題。 本論文通過網(wǎng)絡(luò)編碼解決了WMNs中幾個方面的問題。本文主要研究工作及內(nèi)容如下：第一，本文研究并且提出了一個基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制。第二，我們在基于WMNs中的視頻流的前提下，研究了如何應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼來提高WMNs中視頻流的