基于干扰测量的多跳无线网络数据传输控制机制研究

由于信号干扰的严重影响，原本为无线局域网设计的数据传输控制机制不再适合于Mesh、Ad Hoc等大规模多跳无线网络。如何充分考虑信号干扰对多跳无线网络数据传输的影响，从介质访问控制和拥塞控制两个层面对干扰环境下的数据传输性能进行优化是本申请拟研究的核心问题。解决该问题的重要前提是准确获得网络中的实际干扰状况。本课题拟首先提出新的对正常数据传输无影响的干扰测量方法，并结合统计分析方法，获取网络链路间的信号干扰强度和分布。在此基础上，对介质访问控制机制进行建模分析，将信号干扰强度和分布引入模型中，定量研究介质访问控制对节点吞吐量的影响，采用最优化理论统一调整节点介质访问控制参数，实现数据传输的高性能与公平性。在拥塞控制层面，基于提出的干扰测量方法，研究干扰引起的无线网络区域拥塞问题，分析拥塞区域的界定方法、拥塞信息共享、拥塞信息反馈和速率调整机制，提出充分考虑无线信号干扰的区域拥塞控制机制。

由于信号干扰的严重影响，原本为无线局域网设计的数据传输控制机制不再适合于Mesh、Ad Hoc等大规模多跳无线网络，造成网络性能低下。本课题针对这一问题，对多跳无线网络数据传输控制进行了系统性研究，包括干扰测量、资源分配优化和传输控制三个方面。整个项目进展顺利，截止到目前为止，该项目计划的所有工作均已顺利完成。在本项目的开展过程中，我们在IEEE transactions on Mobile Computing， IEEE transactions on Wireless Communications等国际顶级学术期刊和IEEE INFOCOM等国际顶级学术会议上共发表论文26篇，并获得授权专利4 项，受理专利3项，软件登记4 项。本项目取得的代表性的创新研究成果包括: 1）链路干扰被动测量方法：本课题在全面分析各种无线网络特征的基础上，提出了被动的、通用的干扰测量方法。针对被动干扰测量的关键问题，即如何对接收到的叠加的RSS信号进行分解以提取指定源节点的RSS，提出了基于统计分析模型的叠加RSS信号分解方法，能够在不影响正常数据传输的同时分析接收信号强度的概率分布及时间相关性。提出了节点传输速率和数据包大小对信号干扰影响的分析方法，使得测量方法具备通用性。2）非对称拓扑资源访问建模与优化：本课题针对当前介质访问控制建模未能充分考虑实际干扰状况，无法正确体现干扰对网络性能的影响的局限，提出了复杂干扰环境、非对称网络拓扑下的IEEE 802.11 DCF模型。模型结合无线干扰的被动测量技术，定量研究介质访问控制对节点吞吐量的影响，能准确预测非对称网络拓扑下的网络流吞吐量。基于所提出的模型，采用最优化理论统一调整节点介质访问控制参数，实现多跳无线网络数据传输的高性能与公平性。3）兼顾延迟与网络效用的数据传输跨层控制机制：跨层控制作为一种具有深厚理论基础的控制机制，能使多跳无线网络达到最大网络效用。然而，跨层控制面临的一个重要问题是它会引起很大的端到端延迟。近年来学术界提出了一些降低延迟的跨层控制算法，但这些算法在降低延迟的同时，也极大地降低了网络效用。本课题采用延迟区分的思路，提出了一个联合速率控制、路由和调度的新跨层控制创新机制，该机制能保障最大的网络效用，同时实现网络流间的线性延迟区分，从而可以有效减低实时业务的延迟。