无线多媒体网络QoS通信协议研究

发布时间：2017-08-16 11:43

  本文关键词：无线多媒体网络QoS通信协议研究

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【摘要】：在无线多媒体网络领域,无线多媒体传感器网络(WMSNs:Wireless Multimedia Sensor Networks)和无线多媒体网状网(WMMNs:Wireless Multimedia Mesh Networks)近年来在学术界引起广泛关注。一方面,WMSNs具有广阔的应用前景,另一方面,WMMNs成为移动互联网的重要组成部分。然而,有限的网络资源、动态变化的信道特性和可扩展的网络规模等因素使得实时多媒体通信和QoS保障面临诸多挑战。本文旨在研究WMSNs和WMMNs中QoS通信协议。首先深入分析和理解典型通信协议支持多媒体应用时存在的性能瓶颈,在此基础上有针对性地从几个方面提出新的通信协议,包括研究QoS感知和低代价的自适应机会路由协议、利用网络编码设计多媒体特征感知和速率自适应通信协议、同时探讨面向多媒体应用的云辅助和跨层协作网络体系结构。WMSNs领域的主要创新工作包括：1.提出QoS感知多汇聚点机会路由协议(QMOR),在满足QOS需求的基础上实现能量高效的多媒体数据投递。分析并构建多汇聚点网络环境下基于差分编码的冗余视频数据压缩问题,通过选择合适的中继节点提高视频压缩效率以节约能耗和带宽。深入研究QOS感知的转发列表选择和优先级分配问题,包括数据传输能耗估计、转发优先级分配、实时性和可靠性约束保证等几个方面。实验结果表明,QMOR在视频传输质量和能力有效性等关键指标上优于目前典型的WMSNs路由协议。2.提出有损无线链路环境下低代价低复杂度机会路由协议(L20R),在显著减少节点计算开销的同时实现能量的高效利用。分析有损链路环境下转发列表选择同总体期望代价之间的内在关联,构建传输代价量化模型；针对中继节点选择过程中存在的不确定性问题,提出贪婪中继节点选取策略；针对中继节点优先级分配存在的高计算复杂性问题,提出近似排序机制以简化计算；将贪婪选取策略和近似排序机制相结合,设计启发式转发列表选择算法。理论分析和仿真实验结果表明,其在通信性能和能量效率上均优于典型的能量感知机会路由协议。3.提出云辅助的复杂事件监测体系(C2EM),在有效缓解传感器节点计算能力和存储空间瓶颈的同时提供可靠且稳定的监测服务。将网络体系划分为感知层、多媒体应用层、(本地)微云层和(远端)云层。各层之间相互协作,兼顾云链接可靠性、服务响应时间、事件覆盖效率以及能量使用效率。与传统基于传感器网络的监测系统不同,大部分的计算(任务)被迁移到微云层和云层,传感器节点只需要执行简单的操作。实验结果表明C2EM具有高可用性和适应性。WMMNs领域的主要创新工作包括：4.提出基于网络编码的机会转发协议(NCOF),以提高WMMNs资源利用率和数据通信性能。设计基于非对称组合的编码方法,提高视频数据交换收益；设计编码收益感知的机会转发策略,在减少冲突概率的同时提高吞吐量。在深入分析无线视频通信流特性的基础上,提出流量感知的数据包调度算法,与网络编码体系协同工作,有效减少编码机会流失。仿真实验结果表明,NCOF可以显著提高资源利用率,改善实时视频播放质量。5.提出基于网络编码的多速率无线网络QoS广播协议,在满足QoS需求的基础上最大化吞吐量。构建多速率编码图模型用于描述编码决策,在此基础上建立了最优广播调度问题的整数线性规划模型。研究基于团(clique)的启发式算法以获得次优解,采用概率保证的方法限制编码图的规模,在不影响通信性能的前提下实现计算复杂度的可控；通过限定团搜索规模确定参与编码的数据,实现计算复杂度的可调。实验结果在证明其灵活性和可用性的同时,为复杂网络环境下基于速率选择的编码算法设计提供了有力的依据。6.提出跨层优化视频流控制协议(COCP),实现对无效网络流量有效控制,同时提高关键视频帧的传输可靠性。在网络层增加了独立的COCP子层,将应用层、传输层的视频参数信息映射至该层。在视频传输过程中,COCP根据视频投递状况进行分布式视频流控制。研究基于GOP的路径探测机制以保证高优先级视频数据的可靠投递。该协议具有较高的灵活性和实用性,可以同大多数路由协议协同工作。仿真结果表明COCP可以显著改善实时视频通信性能,并能够适应实时性需求的变化。希望本文的研究成果能为未来多媒体物联网的研究和设计提供新的思路。
【关键词】：无线多媒体传感器网络 无线多媒体网状网 多媒体通信 服务质量 机会路由 网络编码
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN915.04;TP212.9
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 1 绪论17-32
• 1.1 选题背景和意义17-25
• 1.1.1 基本概念17-19
• 1.1.2 研究现状19-22
• 1.1.3 研究挑战22-24
• 1.1.4 研究意义24-25
• 1.2 研究内容和方案25-30
• 1.2.1 研究目标和内容25-27
• 1.2.2 方法和技术路线27-29
• 1.2.3 创新点和特色29-30
• 1.3 论文组织结构30-32
• 2 相关研究32-45
• 2.1 无线多媒体传感器网络：路由协议32-38
• 2.1.1 设计原则32-33
• 2.1.2 典型协议设计思路和特点33-37
• 2.1.3 典型协议对比分析37-38
• 2.2 无线多媒体网状网：基于网络编码的通信协议38-44
• 2.2.1 设计原则38-39
• 2.2.2 典型协议设计思路和特点39-43
• 2.2.3 典型协议对比分析43-44
• 2.3 小结44-45
• 3 无线多媒体传感器网络QOS感知多汇聚点机会路由协议45-66
• 3.1 引言45-47
• 3.2 网络模型和相关假设47-49
• 3.3 基于差分编码的中继节点选择问题49-51
• 3.4 QoS感知转发列表选择问题51-60
• 3.4.1 传输代价计算52-54
• 3.4.2 优先级分配54-55
• 3.4.3 实时性保证55-57
• 3.4.4 可靠性保证57-59
• 3.4.5 协议执行59-60
• 3.5 仿真实验与性能分析60-65
• 3.5.1 实验设计与参数设置60
• 3.5.2 性能分析与评价60-65
• 3.6 小结65-66
• 4 有损无线传感器网络低代价低复杂度机会路由协议66-83
• 4.1 引言66-68
• 4.2 网络模型和相关假设68
• 4.3 低代价低复杂度转发列表选择68-78
• 4.3.1 传输代价计算69-71
• 4.3.2 中继节点选取规则71-73
• 4.3.3 优先级分配规则73-77
• 4.3.4 启发式算法77-78
• 4.4 仿真实验与性能分析78-81
• 4.4.1 仿真环境与参数设置78-79
• 4.4.2 性能分析与评价79-81
• 4.5 小结81-83
• 5 云辅助无线多媒体传感器网络复杂事件监测体系和协议83-100
• 5.1 引言83-84
• 5.2 设计思路84-85
• 5.3 体系结构85-87
• 5.3.1 网络模型85-86
• 5.3.2 服务模型86-87
• 5.3.3 系统模型87
• 5.4 功能模块87-94
• 5.4.1 接入点选择器87-89
• 5.4.2 视频传感器节点选择器89-90
• 5.4.3 覆盖优化器90-93
• 5.4.4 摄像机控制器93-94
• 5.5 可用性分析94-95
• 5.6 仿真实验与性能分析95-99
• 5.6.1 实验设计与参数设置95-97
• 5.6.2 性能分析与评价97-99
• 5.7 小结99-100
• 6 无线多媒体网状网基于网络编码的机会转发协议100-122
• 6.1 引言100-101
• 6.2 网络模型和相关假设101-103
• 6.3 非对称编码103-107
• 6.3.1 设计思路103-104
• 6.3.2 数据包选择和收益分析104-105
• 6.3.3 算法设计105-107
• 6.4 流量感知的数据调度107-110
• 6.4.1 基本思路107-108
• 6.4.2 流量预测108-109
• 6.4.3 数据流选择109-110
• 6.5 基于编码收益的信道竞争110-111
• 6.5.1 优先级分配110-111
• 6.5.2 协议实现111
• 6.6 仿真实验与性能分析111-118
• 6.6.1 实验设计与参数设置111-112
• 6.6.2 性能分析与评价112-118
• 6.7 案例研究：基于流相关性的非对称编码机制118-120
• 6.7.1 设计思路118-119
• 6.7.2 仿真实验与性能分析119-120
• 6.8 小结120-122
• 7 无线多媒体网状网基于网络编码的多速率QoS广播协议122-140
• 7.1 引言122-123
• 7.2 最优广播调度问题123-128
• 7.2.1 网络模型123-124
• 7.2.2 多速率编码图124-125
• 7.2.3 编码决策分析125-127
• 7.2.4 问题描述127-128
• 7.3 启发式算法128-133
• 7.3.1 概率编码图128-129
• 7.3.2 算法模型129-131
• 7.3.3 复杂度分析131-132
• 7.3.4 调度过程132-133
• 7.4 仿真实验与性能分析133-139
• 7.4.1 实验设计与参数设置133-134
• 7.4.2 性能分析与评价134-139
• 7.4.3 算法特性归纳139
• 7.5 小结139-140
• 8. 无线多媒体网状网跨层优化流控制协议140-150
• 8.1 引言140-141
• 8.2 视频流和网络模型141-142
• 8.3 跨层视频流控制协议142-145
• 8.3.1 跨层协同框架142-143
• 8.3.2 数据同步和时延估计143-144
• 8.3.3 路径探测和参数反馈144-145
• 8.4 仿真实验与性能分析145-149
• 8.4.1 实验设计与参数设置145-146
• 8.4.2 性能分析与评价146-149
• 8.5 小结149-150
• 9 总结与展望150-154
• 9.1 本文主要贡献150-152
• 9.2 后续研究思路152-154
• 致谢154-155
• 参考文献155-178
• 攻读博士学位期间发表的学术论文178-180
• 攻读博士学位期间专利授权和申报情况180-181
• 攻读博士学位期间获得登记的软件著作权181-182
• 攻读博士学位期间承担的科研项目182-183
• 攻读博士学位期间学术成果获奖情况183

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 白晓勇;张可;;无线传感器网络仿真中的目标定位问题[J];兵工自动化;2009年07期

2 邓达;周激流;林锋;;基于蚁群算法的无线多媒体传感器网络路由研究[J];北京理工大学学报;2011年04期

3 孙其博;刘杰;黎，

本文编号：683120