自组织家庭网络多媒体通信QoS保障若干问题研究

【摘要】：自组织家庭网络是以自组织结构的形式，为家庭用户提供家庭娱乐、数据传输以及家电控制等服务的多跳无线网络系统。我们的研究背景定位于自组织家庭网络，研究自组织形式下如何实现低延时、低抖动、高实时性要求的多媒体流的传输。但是家庭自组织网络因其资源有限、信道共享、网络拓扑变化等原因，导致单纯依靠传统的MAC层及传输层的QoS保障方法并不能达到预期的效果。因此需要针对家庭网络及多媒体流的特点，从应用层及网络层路由着手，有针对性的提出各种全局性、综合性、动态性的优化措施来实现多媒体QoS保障目标。 本论文以QoS保障为目标，着重研究自组织家庭网络中的多媒体传输问题，提出了应用层的分布式负载均衡、网络层的多路径QoS路由和分层QoS路由等多种优化措施。主要研究成果如下： （1）基于分布式负载均衡的多媒体流传输QoS保障 研究分析了自组织家庭网络用户访问Internet上的多媒体业务面临的问题，提出了动态建立P2P缓存骨干网作为分布式缓存代理的新方法。并在分析家庭网络特点和媒体节目的访问模式基础上，建立了以最小传输代价为目标的分布式缓存代理网络模型和优化模型。并进一步提出了优化缓存数据放置算法OCPA。实验表明OCPA有更小的数据传输开销，系统健壮性及可扩展性。 （2）异构自组织家庭网络多媒体缓存骨干网的构建 分析了目前最小连通支配集（MCDS）的方式构建骨干网没有考虑到节点的实际能力，不适合于异构的自组织家庭网络下建立多媒体缓存骨干网。于是提出了基于高性能节点的最小连通支配集算法（MCDS-HNP），同时给出了算法的逼近度证明，并通过仿真试验表明，在与MCDS算法相似的骨干节点个数的情况下，MCDS-HNP算法能获得更好的性能，适合建立家庭多媒体缓存骨干网。 （3）基于遗传算法的媒体流多路径QoS路由 结合自组织家庭网络的多路传输的特点，以及媒体流分段存储分段传输的特性，提出了一种面向多媒体应用的多路径QoS路由算法MOMR，即把一个多媒体流分成多个子流，为这多个子业务流找到最合适的路由，以实现所有子流的总失真最小化。论文首先计算了失真这个目标值，并建立了优化路由模型，用改进的遗传算法进行了求解。实验验证了本路由算法比传统的网络层路由算法具有更优秀的表现。 （4）基于业务流偏好的多QoS目标决策分层路由TMQODR 以自组织家庭超宽带网络分层路由问题为研究背景，研究了满足业务流QoS需求的保障方法，体现了“按需服务”的思想。论文给出了业务流QoS需求偏好的表示、转化及其计算的策略和方法，并进一步研究和定义了业务流满意度及其计算方法；在上述成果的基础上，结合GPSR路由算法，提出了基于业务流偏好的多QoS目标决策分层路由TMQODR算法。通过相关性能分析及仿真实验验证了算法的有效性。