基于网络效用最大化理论增强无线Mesh网VoIP传输性能的机制研究

The Wireless Mesh Network has the advantages of self-organizing, self-configuring, and self-healing, which enable its quick deployment, easy maintainence, and promising broad applications. However, its characteristics of multi-hop transmission, open radio channels, limited resource of network nodes cause very low efficiency for real-time services with current network protocols, and it is difficult to ensure VoIP transmission requirements on delay, packet loss rate and capacity. To deal with this urgent problem, the present domestic and overseas study has some proposals on VoIP performance enhancements, but lacks systematic understanding and evaluation of joint effects of proposed methods. By using the theory of Network Utility Maximization (NUM), this project first establishes network optimization model to characterize the Quality of Experience (QoE) of VoIP services and the transmission essence in Wireless Mesh Network. Then, the project performs problem decomposition of the established NUM model, and derives the distributed solution algorithms and network control mechanisms in Wireless Mesh Network. Next, the project proposes appropriate protocol architecture and protocol implementations for VoIP transmission in Wireless Mesh Network. This project expands the comprehensiveness and depth of the NUM theory,systematically guides the design of mechanisms and protocols to enhance the VoIP transmission performance in Wireless Mesh Network, and conducts verification of these theoretical and technical achievements with application experiments.

无线Mesh网具有自组织、自配置、自愈合的优势，能够快速部署，易于维护，具有广阔的应用前景，但其多跳传输、无线信道开放、节点资源受限等特征导致现有的网络协议对实时业务效率较低，难以保证VoIP传输的时延、丢包率和容量要求。目前国内外研究针对该亟待解决的问题提出了一些性能增强方法，但缺乏对不同方法的系统化认识和联合使用的效果评价。本项目首先通过网络效用最大化理论建立网络优化模型来表征VoIP业务在无线Mesh网中的用户体验质量要求和传输机理；然后，对所得到的网络效用最大化模型进行问题分解，导出在无线Mesh网中的分布式求解算法和网络控制机制；在此基础上，提出适用于无线Mesh网VoIP传输的协议架构和协议实现方法。本项目拓展了网络效用最大化理论的全面性和深度，系统化地指导了增强无线Mesh网VoIP传输性能的机制和协议设计，同时开展了这些理论和技术成果在无线Mesh网中的实验验证。

无线Mesh网多跳传输、无线信道开放、节点资源受限等特征导致现有的网络协议对实时业务效率较低，难以保证VoIP传输质量要求。本项目首先通过网络效用最大化理论建立网络优化模型来表征VoIP业务在无线Mesh网中的用户体验质量（QoE）要求，提出了基于QoE的VoIP带宽分配机制，提高了VoIP业务的整体性能及网络利用效率。对于无线Mesh网和卫星网络组成的异构无线网络提出了采用双IP地址和双SIP帐户相结合的方法来实现海上移动用户的移动性管理和VoIP会话建立管理，使VoIP会话能选择最佳的传输路径，从而尽可能减少了卫星通信系统的介入场景。本项目对无线Mesh网和异构卫星网络的拥塞控制进行了研究，针对卫星网络长的传播时延、高比特错误率以及移动终端间歇性中断等特点，提出了改进的TCP算法来提高传输性能。在设计适合于无线Mesh网络环境的专有TCP协议时，提出了基于包延迟模型和丢包特征的相应的TCP控制机制。针对无线Mesh网和多种网络并存时的多路径并发传输的不公平性问题，基于资源池思想，引入慢启动阈值比因子、增长因子和抢占因子，提出了新的拥塞控制算法，并通过仿真进行性能验证。依托本项目理论成果，利用无线传感器网络和无线Mesh网络，设计和开发了可实时感知海洋水质信息（温度、PH值、溶解氧等）的无线传感采集和多媒体传输系统，并利用手机终端通过互联网实现对海洋信息的远程监测，可应用于海南珍稀鱼类水产养殖产业。 本项目共发表学术论文27篇，其中SCI检索论文4篇，EI检索论文20篇，中文核心期刊论文3篇；申请了国家发明专利2项；出版学术专著1部。该项目培养已毕业博士研究生1名，硕士研究生7名。