视频传输下无线Mesh网络中基于QoE的分簇路由协议的思考

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论文字数:32666 论文编号:sb2021111721403539691 日期:2021-11-18 来源:硕博论文网
本文是一篇软件工程论文,本文的主要工作以及创新点如下: (1)提出了基于排序蚁群算法的簇间路由协议。分簇算法能够有效地应用于对路径有约束的网络环境。而蚁群算法在最佳传输路径寻找方面有着很强的优势,因此,提出了结合两者优势的分簇路由协议。本文通过对 QoE 评价体系的建模,发现了影响 QoE 质量的两个参数为丢包率以及视频编码比特率。因此在该簇间路由协议中,参考经典的分簇算法,先将系统中的 Mesh 路由器进行分簇,之后启用簇间路由算法。

第 1 章 绪论

1.1  研究背景及意义
无线网络为了提供更优质的服务向下一代发展,无线 Mesh 网络  (WMN)作为其中一种关键技术越来越受到研究人员和工业环境所关注[1],已经成为宽带家庭网络、社区网络和企业网络等众多应用的关键技术。作为一种能够出色解决“最后一公里”的互联网连接问题的绝佳方案,无线 Mesh 网络是一种不同于传统无线网络的新型无线网络技术。无线 Mesh 网络是自组织和自配置网络,参与到网络中的节点不仅能自动建立连接,其自身还可以维护连接;它们还能快速部署并且易于维护、成本低并且可伸缩性高。
在传统的无线通信网络中,研究人员更多的以服务质量(QoS)作为评价网络的度量指标[2],QoS 通过对网络中的丢包率、延迟、抖动等技术指标进行监测来体现网络的技术层面的性能。而在现在的网络中,视频媒体占据主要地位,用户能够更加直观地通过视频质量的好坏来判断网络的质量,在这种概况这下,单纯的 QoS 指标无法很好的体现用户对网络的满意程度,因此,研究人员提出了一种更加主观的评价标准,用户体验质量(QoE)[3],QoE 被国际电信联盟定义为:终端用户所感受到的应用或者服务的整体主观可接受程度。与 QoS 相比,QoE 更能体现用户主观体验,并且所涵盖的范围较客观的物理指标也更加广泛。所以,以 QoE 这一能够体现用户主观感受的指标来评价网络的性能是更能令人信服的。
路由协议作为网络中的一部分,有些时候限制着网络的发展。文献[4]中就对无线 Mesh 网络的发展限制进行了分析,文章中指出无线 Mesh 网络伴随着路由协议的发展而发展,而路由协议的发展也促进着无线 Mesh 网络的发展,很大程度上,路由协议的发展程度决定了无线 Mesh 网络的发展情况。
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1.2  国内外研究现状
1.2.1  无线 Mesh 网络现有的路由协议
无线网络中的路由协议大致可以分为三种,分别是:主动路由协议(先验式路由协议)、被动路由协议(反应式路由协议)以及混合路由协议。现有的无线 Mesh 网络路由协议通常是将已有的 Ad hoc 网络路由协议进行沿用或者延伸,移动无线网络因其高移动性,被动路由协议是其主要选择的协议种类。而无线Mesh 网络与典型的 Ad  hoc 网络如移动自组网(MANET)[5]、无线传感器网络(WSNs)[6]、车载自组网(VANETs)[7]等不同,静态的网格路由器是支撑起无线 Mesh 网络架构的骨干路由器,因此,混合路由协议更加适合无线 Mesh 网络。
许多改进的路由协议都以 QoS 指标为优化的目标,文献[8]提出一种针对无线 Mesh 局域网的解决方案,无线 Mesh 路由(WMR,Wireless  Mesh  Routing),这一路由协议在最小带宽和最大端到端延迟方面提供了 QoS 保证。文献[9]提出一种基于 QoS 的混合路由协议,该协议是在由基于 IEEE802.16j[10]的基础设施和不同的基于IEEE802.11s[11]的客户端组成的混合的无线网络体系结构的基础上提出的,文中所提出的 HQMR 路由协议在无线 Mesh 网络中提供了 QoS 保证,并且提出了一种面向 IEEE802.16j 全局无线网络体系结构的聚类算法,以此来降低网络中的负载。HQMR 协议有效的提高了无线 Mesh 网络中 QoS 这一指标,在平均吞吐量、平均端到端延迟和平均抖动方面有很好地表现。此外,还有部分工作在路由发现阶段提供了 QoS 保证,例如:QAODV[12]为基于 IEEE802.11 标准的 Mesh 网络提出一个包括带宽、延迟、跳数和负载比的一个新的度量;R-AODV[13]使用最小网络传输层时间作为多速率 WiFi 性能指标;文献[14]提出了另一种无线 Mesh 网络的 QoS 感知路由协议,在路由发现过程中加入干扰模型。
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第 2 章  相关背景知识

2.1  无线 Mesh 网络
无线 Mesh 网络,是一种基于无线网络技术开发出来的解决方案,是一种新型的无线局域网,它是下一代网络的关键技术之一。WMN 有着网络部署简单,性价比高,覆盖范围广,网络结构灵活,健壮性良好,容易实现非视距配置等多种优势,现在广泛的应用于教育、医疗、安全等各个领域[22]。
2.1.1  无线 Mesh 网络的基本结构
无线 Mesh 网络具有不同于传统网络的网状结构,是一种无线的 “多跳数”网络。传统的无线网络接入技术,通常使用的是一对一或者一对多的拓扑结构,具有一个中心节点是这种结构的特性,中心节点以单跳链路连接的方式控制终端向网络进行通信;与此同时,中心节点以有线的方式,通过有限链路与骨干网进行连接。而无线 Mesh 网络采用的是网状的拓扑结构,网络节点大致分为Mesh 网关、Mesh 路由器、Mesh 客户端三类[23]。不同于传统无线网络的一对一、一对多,无线 Mesh 网络采用的是一种多对多的网络拓扑,各节点之间以无线多跳的方式相连接,并且引入更具层次特点的分级结构。无线 Mesh 网络的基本结构可以分成三类:客户端型结构、骨干型结构和混合型结构[24]。
(1)客户端型结构
仅由 Mesh 客户端构成的网络结构被称为客户端型结构,它提供的是一种客户端之间对等的网络。因为结构中缺少 Mesh 路由器以及 Mesh 网关节点,因此,在该网络结构中,每一个 Mesh 客户端都具备 Mesh 路由器的功能,包括自身数据的储存转发以及作为其他节点的“中转站”辅助其完成通信工作。客户端型结构相对单一,更加易于部署,但是相对的网络规模也难以扩展。客户端型结构如图 2-1 所示。
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2.2  无线 Mesh 网络路由协议的分类
路由协议的主要目的是在网络的众多传输路径中选择并建立一条对数据传输来说最优的传输路径。无线 Mesh 网络作为从 Ad Hoc 网络发展而来的网络,它沿用了大部分的 Ad Hoc 的基础路由协议,并以此为根本进行改良。传统的路由协议可以分为三种:先验式路由协议(主动式路由协议)、反应式路由协议(被动式路由协议)以及混合式路由协议,如图 2-4 所示。
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(1)先验式(proactive)路由协议
先验式路由协议,又被称为表驱动路由协议。在这种路由协议中,每个节点都“管理”着最少一张路由信息表,当源节点需要进行数据发送时,通过对节点表信息的查询就可以选择一条路径。当检测到网络的拓扑结构发生变化,节点会将其变化告知网络中的其他节点,并且发送更新后的路由表,其它节点就会依此进行更新,保证节点所维护的路由表准确。经典的先验式路由协议有:节点序列距离矢量路由协议(DSDV,  Destination  Sequenced  Distance  Vector routing)[26],无线路由协议(WRP, Wireless Routing Protocol)[27],最优化链路状态路由协议(OLSR, Optimization Link-state Routing Protocol)[28],基于反向路径的拓扑分发协议(TBRPF, Topology broadcast reverse path forwarding)[29]。
(2)反应式(reactive)路由协议
反应式路由协议,也被叫做按需驱动路由协议,由协议名称可以看出,这种路由协议是在需要时才会启动进行路径寻找。反应式路由协议中,节点并不会保存路由信息,当网络中有数据需要发送时,源节点会发起查找过程,完成后将开始报文发送。与先验式路由协议相比,节点不需要长时间维护信息表,因此,网络开销较小,但是因为不能在需要时立即找到路径,所以相应的反应时间也会变长。经典的反应式路由协议有:动态源路由协议(DSR,Dynamic Source Routing)[30],基于相互关系路由协议(ABR,Associativity-based Routing)[31],基于临时按需路由算法(TORA,Temporally Ordered Routing Algorithm)[32],Ad  Hoc 按需距离矢量路由协议(AODV,Ad  hoc  On-demand  Distance  Vector Routing)[33]。
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第 3 章 基于排序蚁群算法的簇间路由协议 ................... 16
3.1  簇的形成及划分 .............................. 16
3.2 簇间路由协议的设计思想 ...................... 18
3.3 簇间路由协议的设计与实现 ..................... 19
第 4 章 基于改进的 MORE 协议的簇内路由协议 ................ 32
4.1 原始 MORE 协议存在的问题 ............................. 32
4.2  改进的 MORE 协议 .................................... 32
第 5 章  总结与展望 ...................................... 43
5.1  论文工作总结 ........................................ 43
5.2 展望 .............................................. 44‘

第 4 章  基于改进的 MORE 协议的簇内路由协议

4.1 原始 MORE 协议存在的问题
MAC 独立的机会主义路由与编码(MORE)是一种改进的机会路由[56],它使用了随机线性编码,在数据包转发之前会随机选择系数将数据包线性组合,生成的数据包会将各自使用的系数封装在一个特殊的报头之中,一般将其称为MORE 报头,目的节点收到适当数量的数据包后,就会通过逆函数执行解码过程,以得到需要接收的数据包。MORE 协议的传输调度依赖于 CSMA/CA,就吞吐量性能而言优于 ExOR 等机会路由协议,具有一定程度的研究意义。此外,为了保证传输的质量,MORE 协议有自己的确认机制,在源和中继节点完成数据包的发送及转发之后,源和中继节点会持续的发送和重传数据包,这一过程会一直持续到目的节点发送回确认信息为止。
MORE 协议所使用的随机线性编码以及其特有的目的节点确认机制能够很好的保证数据的交付质量,但是在视频传输过程中往往按时的传输比可靠更为重要,因此,本章针对 MORE 协议进行改进使其更适合视频传输。
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第 5 章  总结与展望

5.1  论文工作总结
如今网络发展高速而多样,人们每天通过网络可以接收到各种各样的信息,而其中又以视频信息居多。随着人们的要求不断地提高,有线网络已经很难能够满足人们的日常生活所需,因此,无线网络开始大放异彩,无线网络发展到现在,已经步入新一代无线网络技术的研究,无线 Mesh 网络作为其中极受重视的关键技术而受到学术界广泛的研究。而网络技术最终服务的对象是用户群体,因此,关于无线 Mesh 网络的研究中,用户的服务质量(QoS)是极为重要的一项,但是 QoS 体现的是网络技术层面的优良,并不能直接反应用户对于网络的满意程度,因此,学术界提出了能够体现用户对于网络提供服务的满意程度的度量,以用户体验质量(QoE)表示。本文针对视频传输在无线 Mesh 网络中的用户体验质量,提出基于 QoE 的分簇路由协议的研究。
文中,首先以特定的多媒体应用场景,即视频传输为研究背景,研究了在视频流下对于 QoE 的建模,发现影响视频用户服务体验质量的有两方面,分别是失真以及视频响应时间,之后提出了适用于视频传输下无线 Mesh 网络的路由协议。总结本文的主要工作以及创新点如下:
(1)提出了基于排序蚁群算法的簇间路由协议。分簇算法能够有效地应用于对路径有约束的网络环境。而蚁群算法在最佳传输路径寻找方面有着很强的优势,因此,提出了结合两者优势的分簇路由协议。本文通过对 QoE 评价体系的建模,发现了影响 QoE 质量的两个参数为丢包率以及视频编码比特率。因此在该簇间路由协议中,参考经典的分簇算法,先将系统中的 Mesh 路由器进行分簇,之后启用簇间路由算法。
传统的蚁群算法因为其全局收敛的特性,虽然保证了网络的可靠性,但同时也增加了算法复杂度,因此,在本协议中,加入排序的蚁群算法,该算法的全局信息素更新规则不再让所有蚂蚁都释放信息素,只允许部分蚂蚁释放信息素,因此加快了收敛速度,降低了算法复杂度。同时,算法添加了多路径传输,在不影响算法鲁棒性的同时,降低算法的复杂度。
参考文献(略)