1 ^Rj = 〇的性質(zhì)，即兩者中至少有一個(gè)為〇,否則兩個(gè)數(shù)據(jù)流仍可以繼續(xù)編碼。為了更容易的說明 問題的形式化過程，我們首先定義問題的標(biāo)準(zhǔn)解形式。
[0049] 定義一：?jiǎn)栴}的標(biāo)準(zhǔn)解形式是指時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)包按照他們的時(shí)延從小到大排序 的隊(duì)列。同一條數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)包在隊(duì)列中相鄰。這樣的隊(duì)列也可以被看作是由連續(xù)的 D，R，S數(shù)據(jù)塊排列而成的，我們認(rèn)為編碼數(shù)據(jù)包D的時(shí)延對(duì)應(yīng)于編碼對(duì)中序號(hào)較小的數(shù)據(jù) 流的時(shí)延。
[0050] 定理一：給定調(diào)度時(shí)間段內(nèi)任意的一個(gè)可行解，我們都能將它轉(zhuǎn)換成一個(gè)等價(jià)的 標(biāo)準(zhǔn)解形式。
[0051] 證明：對(duì)于任意可行調(diào)度，我們首先觀察其中相鄰的兩個(gè)數(shù)據(jù)包，如果他們來自不 同的數(shù)據(jù)流，那么我們總是可以時(shí)延較短的數(shù)據(jù)包移到前面，同時(shí)保證兩個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)延 約束都不被破壞。重復(fù)這一交換過程就可以將任意可行解調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)解形式。證明完畢。
[0052] 我們可以根據(jù)D，R，S的有關(guān)定義來對(duì)我們的問題進(jìn)行形式化，將其規(guī)約為一個(gè)整 數(shù)線性規(guī)劃問題
[0058] D11R11S1G {〇, 1，2,3，...}. (4)
[0059] 約束（1)表示單流發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)不能超其緩存的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，約束（2)表示 編碼數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度約束，約束（3)表示數(shù)據(jù)包的發(fā)送不能超過其時(shí)延約束，約束（4)要求發(fā) 送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)必須是正整數(shù)。目標(biāo)是最大化在時(shí)延到達(dá)之前被發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的權(quán)重 和。
[0060] 通過線性規(guī)劃方法可以給出每個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送的分組個(gè)數(shù)，我們按照時(shí)延從小到大 的順序，將單個(gè)數(shù)據(jù)包或是編碼數(shù)據(jù)包移動(dòng)到中間節(jié)點(diǎn)R的發(fā)送隊(duì)列中，讓數(shù)據(jù)包等待MC 層的發(fā)送機(jī)會(huì)。同時(shí)我們清理原來的緩存數(shù)據(jù)隊(duì)列，等待新數(shù)據(jù)包的到達(dá)。每當(dāng)中間節(jié)點(diǎn) 取得一個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)，就從發(fā)送隊(duì)列的最前端取一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送。在調(diào)度區(qū)間內(nèi)到達(dá)節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)包，經(jīng)過IP層的路由后，就被緩存在新的隊(duì)列里，在本輪調(diào)度結(jié)束后，參與下一輪的調(diào) 度。
[0061] 我們的協(xié)議有良好的可移植性。這個(gè)協(xié)議能夠用于基于時(shí)隙劃分的MAC協(xié)議，每 個(gè)節(jié)點(diǎn)有固定的發(fā)送時(shí)間，如TDMA。也能用于基于信道競(jìng)爭(zhēng)的802. 11協(xié)議。雖然802. 11 會(huì)引入額外的信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)延，無發(fā)保證數(shù)據(jù)包在設(shè)定的時(shí)隙發(fā)送。但我們不需要知道每個(gè) 數(shù)據(jù)包具體發(fā)送時(shí)間，就能夠提供最優(yōu)的發(fā)送順序，即使有信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)延存在，我們相信調(diào) 整后的數(shù)據(jù)包發(fā)送順序一定能為網(wǎng)絡(luò)性能帶來提升。
[0062] 階段三：分組編碼
[0063] PTCS分組調(diào)度模塊輸出的發(fā)送順序是一系列的數(shù)據(jù)流中被調(diào)度的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，這 些數(shù)據(jù)流可能是單流，也可能是編碼流。中間節(jié)點(diǎn)按照這個(gè)發(fā)送順序，從每個(gè)數(shù)據(jù)流隊(duì)列的 最前端取出相應(yīng)個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)包發(fā)送。如果遇到編碼數(shù)據(jù)流，則要從一對(duì)編碼流中分別取出 數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼。我們稱這兩個(gè)數(shù)據(jù)一個(gè)為主編碼包，另一個(gè)為從屬編碼包。IP頭部中保 存的是主編碼包的源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、時(shí)延信息、權(quán)重信息、發(fā)送時(shí)間等信息。我們還需要給 每個(gè)數(shù)據(jù)包加上一個(gè)編碼頭部用于記錄從屬編碼包的信息，我們稱之為CodeHead，放在IP 頭部和MAC頭部之間。CodeHead的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中編碼標(biāo)識(shí)位顯示此數(shù)據(jù)包是否為 編碼包，以及從屬編碼包的源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、下一跳地址、時(shí)延信息、權(quán)重信息、發(fā)送時(shí)間 等信息。編碼后的數(shù)據(jù)包和其他單包一樣按序加入節(jié)點(diǎn)的發(fā)送端口處，交由MC層發(fā)送。為 了接收到編碼數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)需要打開混雜模式。也就是無線節(jié)點(diǎn)利用信道的廣播特性，接受 一切可以聽到的數(shù)據(jù)包，包括不是發(fā)送給它自己的。MC層收到單播數(shù)據(jù)包，就將數(shù)據(jù)包移 交PTCS層。PTCS層判斷數(shù)據(jù)包是否編碼，并對(duì)編碼的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，最后將解碼后的單 包提交IP層進(jìn)行路由或是交付。
[0064] 將PTCS協(xié)議與兩個(gè)著名的協(xié)議，802. 11和C0PE，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)PTCS不僅能 夠利用網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)點(diǎn)提升吞吐量，還能夠通過有效的調(diào)度策略降低數(shù)據(jù)流平均時(shí)延，提 高滿足時(shí)延需求的數(shù)據(jù)包的權(quán)重和。對(duì)于較大規(guī)模較高流量的無線自組織網(wǎng)絡(luò)有良好的適 應(yīng)能力。
[0065] 本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是QualNet仿真器。QualNet是一種應(yīng)用于無線、有線以及混合 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的快速而且精確的開發(fā)、仿真系統(tǒng)。在QualNet中，仿真協(xié)議的移植性很強(qiáng)。仿真 協(xié)議與真實(shí)設(shè)備上的協(xié)議相似，只需要作簡(jiǎn)單的修改就可以下載到設(shè)備中去使用，并且與 CHJ無關(guān)。甚至可以作為真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的一部分，參與到網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試中。我們基于802. 11協(xié)議 實(shí)現(xiàn)我們的中間層協(xié)議，將其命名為802.ll-pcs(PairwiseCodingScheduling)。同時(shí)我 們還在802. 11上實(shí)現(xiàn)了編碼協(xié)議COPE，能夠?qū)?shù)據(jù)包成對(duì)編碼，對(duì)數(shù)據(jù)包的調(diào)度遵循先進(jìn) 先出的原則，我們將這個(gè)協(xié)議命名為802. 11-pc(PairwiseCoding)。我們還與沒有編碼功 能的802. 11比較，檢驗(yàn)成對(duì)編碼對(duì)性能帶來的增益。
[0066] 如圖3所示，我們有21個(gè)節(jié)點(diǎn)布置在1000m*600m范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的通信距離為 250m，有效鏈路都在圖中標(biāo)記出來。數(shù)據(jù)流的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選出，網(wǎng)絡(luò)中總共存在 16條CBR數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)包的大小為lOOOByte。我們調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中總吞吐量，從3Mbps逐步增 長(zhǎng)到7Mbps,觀察三種協(xié)議下吞吐量和時(shí)延的性能。
[0067] 圖4顯示了三種協(xié)議的吞吐量性能。圖4(a)為三種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)總流量的變化下， 所有被目的節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包吞吐量。802. 11-pcs和802. 11-pc的吞吐量接近，但都遠(yuǎn) 高于802. 11的吞吐量，說明網(wǎng)絡(luò)編碼能有效的提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量增加時(shí)， 802. 11-pcs和802. 11-pc都能趨近線性增長(zhǎng)。而802. 11有時(shí)性能會(huì)不穩(wěn)定，可能與網(wǎng)絡(luò)中 數(shù)據(jù)流的走向有關(guān)，若某些節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)包嚴(yán)重?fù)砣?，?huì)造成大量數(shù)據(jù)包丟棄，大大降低吞 吐量。如圖4(a)中流量為5Mbps處，802. 11吞吐量降至最低，而802. 11-pcs和802. 11-pc 只有小幅度下降。圖4(b)為三種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)總流量的變化下，所有被目的節(jié)點(diǎn)及時(shí)接收的 數(shù)據(jù)吞吐量?？梢钥吹?02. 11-pcs的及時(shí)吞吐量始終優(yōu)于802. 11-pc和802. 11。由于編 碼帶來的增益，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)交通量增長(zhǎng)時(shí)，802. 11-pcs和802. 11-pc的有效吞吐量都能穩(wěn)步提 升。因?yàn)榫幋a減少了網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，降低了數(shù)據(jù)包的排隊(duì)時(shí)間。而802. 11則對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量 的增加和數(shù)據(jù)流的路由結(jié)構(gòu)更為敏感，有效吞吐量增幅不大，并且會(huì)產(chǎn)生性能很低的情況。 由于802. 11-pcs有數(shù)據(jù)流調(diào)度的功能，其及時(shí)吞吐量比802. 11-pc可高出18. 2%。
[0068] 圖5顯示了三種協(xié)議的效用性能。圖5(a)為三種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)總流量的變化下，所 有被目的節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包權(quán)重和。圖5(b)為三種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)總流量的變化下，所有被目 的節(jié)點(diǎn)及時(shí)接收的數(shù)據(jù)包權(quán)重和。可以發(fā)現(xiàn)三種協(xié)議的效用性能走向與吞吐量性能走向類 似，有較強(qiáng)的相