Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制研究.pdf

1、實(shí)現(xiàn)任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行任何種類信息交換的普適計(jì)算環(huán)境是未來通信系統(tǒng)發(fā)展的主要目標(biāo)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)對這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起重要作用。AdHoc網(wǎng)絡(luò)是由能自由動(dòng)態(tài)自組織成任意臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊苿?dòng)節(jié)點(diǎn)組成的復(fù)雜分布式通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了沒有基礎(chǔ)設(shè)施支持環(huán)境下的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)提供了廣泛的應(yīng)用前景，除軍事領(lǐng)域之外，它還廣泛用于緊急服務(wù)、災(zāi)難恢復(fù)、環(huán)境監(jiān)控、個(gè)人網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)絡(luò)、搜索和營救、傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。因而，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)

2、界的廣泛關(guān)注。 擁塞控制是在競爭的信息流之間公平有效分配網(wǎng)絡(luò)資源的關(guān)鍵課題，是保證AdHoc網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的重要因素。TCP是為固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的面向連接的傳輸控制協(xié)議，它提供了擁塞控制機(jī)制以確保可靠的數(shù)據(jù)包傳輸。然而，當(dāng)應(yīng)用到AdHoc網(wǎng)絡(luò)時(shí)，TCP的性能嚴(yán)重下降。盡管學(xué)術(shù)界提出了眾多改進(jìn)方案，然而所提的改進(jìn)方案沒能夠充分理解網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性，依靠經(jīng)驗(yàn)而非嚴(yán)格的理論支持，性能改善非常有限。事實(shí)上，TCP本質(zhì)上是不適合AdHoc網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特

3、特性的。因此，設(shè)計(jì)出適合AdHoc網(wǎng)絡(luò)的有效擁塞控制策略以確保網(wǎng)絡(luò)資源的公平優(yōu)化分配是迫切需要的，本論文致力于這一研究課題。 論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：1.本文首次基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層框架充分分析了TCP應(yīng)用到AdHoc網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致性能下降的原因所在：物理層中易損耗的無線信道，MAC層中的過度競爭和不公平接入，網(wǎng)絡(luò)層中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)引起的頻繁路由失效，傳輸層中TCP采用的不合適機(jī)制，包括基于窗口的傳輸、基于數(shù)據(jù)包丟失的擁塞指示

4、，擁塞窗口的慢啟動(dòng)和AIMD、對ACK自定時(shí)的依賴。本文詳細(xì)解釋了這些因素是如何降低TCP性能的。由此本文認(rèn)為，TCP及對其作小改進(jìn)的方案是不合適運(yùn)用在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的。 2.以此作為本論文的研究出發(fā)點(diǎn)，提出了全新的適合AdHoc網(wǎng)絡(luò)特性的跨層優(yōu)化擁塞控制協(xié)議CCOC，應(yīng)用了“優(yōu)化論”和“跨層設(shè)計(jì)”兩種策略來指導(dǎo)設(shè)計(jì)CCOC，為擁塞控制協(xié)議的設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)框架。 (1)好的擁塞控制方案需要對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析。優(yōu)化

5、論為設(shè)計(jì)CCOC提供了嚴(yán)格的理論指導(dǎo)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)存在著無線多跳連接、節(jié)點(diǎn)變動(dòng)這兩個(gè)最本質(zhì)的特點(diǎn)。前者引起了與固定網(wǎng)絡(luò)不同的信息流競爭新特點(diǎn)，后者導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不斷發(fā)生變化。本文從分析AdHoc網(wǎng)絡(luò)的信息流競爭特點(diǎn)出發(fā)，引入了鏈路干擾集的概念?；谛в煤瘮?shù)模型的最優(yōu)化理論框架，將小時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不變的擁塞控制問題表達(dá)成一個(gè)非線性優(yōu)化問題，運(yùn)用對偶分解方法將原問題轉(zhuǎn)化成新的等價(jià)形式，并運(yùn)用梯度投影法獲得了原問題的最優(yōu)解，由此構(gòu)建了一個(gè)

6、基于鏈路干擾集的價(jià)格框架。在此框架中，某鏈路的擁塞信息用此鏈路干擾集的總價(jià)格來度量。并提出了相應(yīng)的分布式算法-價(jià)格協(xié)同法PCA來求解在小時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不變的擁塞控制問題。在此分布式算法基礎(chǔ)上，針對AdHoc網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的不確定時(shí)變性，設(shè)計(jì)了一種基于狀態(tài)檢測和滾動(dòng)優(yōu)化的整體擁塞控制策略。并詳細(xì)描述了該策略協(xié)議化的過程，即如何在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)施。 (2)由于導(dǎo)致TCP應(yīng)用到AdHoc網(wǎng)絡(luò)性能下降的原因也來自于物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)

7、層，所以CCOC運(yùn)用了跨層設(shè)計(jì)方法來改進(jìn)MAC層的接入信道公平性，檢測虛假鏈路失效、減少路由失效次數(shù)、加快路由切換后的重啟動(dòng)。 (3)此外，CCOC采用的機(jī)制與傳統(tǒng)TCP協(xié)議存在著本質(zhì)不同，主要有以下幾點(diǎn)：優(yōu)化論指導(dǎo)的基于速率傳輸、基于網(wǎng)絡(luò)輔助的擁塞控制、擁塞控制和可靠性相分離和粗粒度的接收端反饋。因此，CCOC從而解決了TCP應(yīng)用到AdHoc網(wǎng)絡(luò)時(shí)存在的缺陷。 3.將效用最優(yōu)化框架推廣，把小時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不變的多徑路

8、由上的擁塞控制問題表達(dá)成一個(gè)非線性優(yōu)化問題。由于多徑效用最優(yōu)化問題中的目標(biāo)函數(shù)對路徑速率而言不是嚴(yán)格凹的，本文運(yùn)用罰函數(shù)法和次梯度法獲得了原問題的最優(yōu)解，由此提出了相應(yīng)的用于AdHoc網(wǎng)絡(luò)多徑擁塞控制算法MPCC。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于狀態(tài)檢測和滾動(dòng)優(yōu)化的整體方案來應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的時(shí)變性。 4.類似地，將效用最優(yōu)化框架進(jìn)一步推廣，把小時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不變的多速率多播擁塞控制問題表達(dá)成一個(gè)非線性優(yōu)化問題。由于約束項(xiàng)中含有的最大化

9、函數(shù)使該問題變得不可分離，本文也運(yùn)用罰函數(shù)法和次梯度法獲得了原問題的最優(yōu)解，并相應(yīng)提出了一種有效的分布式算法AC2M2。在AC2M2基礎(chǔ)上，針對AdHoc網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的不確定時(shí)變性，設(shè)計(jì)了一種基于狀態(tài)檢測和滾動(dòng)優(yōu)化的自適應(yīng)策略。 5.應(yīng)用MATLAB仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了所提算法PCA、MPCC和AC2M2都能快速收斂到全局最優(yōu)解，對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化有較好的自適應(yīng)能力。同時(shí)，本文實(shí)施了詳細(xì)的NS仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明了在幾乎所有的仿真場景和移動(dòng)