基于网络编码和机会转发的无线Mesh网关键技术研究

Wireless Mesh Networks have significant advantages in Internet access and community networking area for their low-cost, easy to deploy characters and they become a research hotspot in recent years. To optimize performance and ensure fairness, this project carries researches on key technologies of wireless mesh networks based on Network Coding and Opportunistic Routing methods. On the MAC layer, propose a stochastic process model to describe unicast/broadcast packet arrival and service process for the wireless channel, propose algorithms optimizing media access performance and ensuring fairness of media resource sharing. On the network layer, propose a routing cost and transport utility optimization model, seek optimal candidate forwarding set and forwarding task allocation scheme, propose a optimal path building algorithm awaring coding state of neighborhood and link quality to reduce transmitting cost and promote its practicability. On the transmission layer, propose a stochastic process model to explore the interactive mechanism among link error, error correction, transport control window and sending rate, design mechanisms for congestion detection and rate control, propose a network utility maximization model of resource allocation , and consider the fairness constraints. At the same time, design cross-layer interaction mechanisms and joint optimization method to improve the whole performance. The content and results of this project are fairly innovative, and they are expected to promote the WMN practical process.

低成本、易于部署的无线Mesh网在网络接入、社区组网等方面具有显著优势，近年来成为研究热点。本项目研究应用网络编码和机会转发技术优化无线Mesh网传输效率、保证公平性的关键技术。在介质访问控制层，建立描述无线信道单播/广播分组到达和服务过程的随机过程模型，设计优化接入效率、保证资源分配公平性的信道接入控制算法；在网络层，建立成本-效用优化问题模型，求解最优的候选转发节点集合和转发任务分配方案，设计能够反应上下游节点编码状态和链路质量时变特性的最优路径构建算法，降低传输成本，提高其实用性；在传输层，建立描述链路丢包、编码纠错、传输控制窗口、发送速率间交互机制的随机过程模型，设计拥塞检测和速率控制机制，提出兼顾公平性约束的网络效用最大化资源分配模型；同时，设计跨层交互机制和联合优化的方法，提高整体传输性能。本项目的研究内容及成果具有一定的创新性，并可望推动无线Mesh网技术的实用进程。

低成本、易于部署的无线Mesh网在网络接入、社区组网等方面具有显著优势。本项目研究应用网络编码和机会转发技术优化无线Mesh网络(WMN)的传输效率、保证公平性的关键技术。.(1)研究提高编码机会路由（NCOR）效率的关键技术。提出了联合优化NCOR 的CFS选择和转发任务分配的最小成本NCOR问题(MIC-NCOR)，证明该问题的最优子结构性质，并设计了分布式的求解算法MIC-NCOR。模拟实验证实该优化算法能更准确的预测实际传输成本，并能显著地提高NCOR吞吐性能。.(2)研究机会广播信道接入优化技术。以平均有效速率最大化为优化目标，基于最优停止方法，在广播信道的交付能力和接入延迟之间折衷，得到最优的机会广播信道接入时机，在IEEE 802.11 DCF的基础上扩展局部探测机制，设计实现了性能优化的广播信道接入协议协议O-BCast。模拟实验证实该协议能显著提高NCOR的端到端吞吐率，并具网络负载自适应性。.(3)研究实现了基于逐跳反馈的NCOR拥塞控制协议HCC。HCC精确评估节点的拥塞程度，并基于加增乘降原则调整每个业务流的速率。在此基础上，由邻居节点处理NCOR网状路径中各节点差异化的拥塞反馈，在降低拥塞节点的负载同时，充分利用轻载节点的转发能力。模拟实验结果表明，在高负载、高丢包率的WMN网络中，HCC的拥塞控制效果明显优于端到端控制方法TCP-Vegas。.(4)研究实现了基于编码TCP行为模型的公平性调度方法。基于二维Markov链建模描述TCP拥塞窗口和有效窗口的变迁过程，以最大窗口尺寸、端到端分组丢失率和编码冗余系数为输入参数，通过数值计算求解得到编码TCP的吞吐率，在此基础上实现了编码TCP流的公平性保证机制。多个场景下的模拟实验验证了该公平性机制的有效性。.项目研究成果为推进网络编码、编码机会路由技术在WMN网络中的实用化提供了理论和实践支撑。