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申请者姓名：学位点名称：研究方向：申请项目名称：

研究生科研创新项目申请表

所在学校：桂林电子科技大学

魏延恒

桂林电子科技大学网络优化

下一代overlay 多速率视频组播系统优化研究

广西壮族自治区学位委员会广西壮族自治区教育厅2013年10月21日

职称/职务

性别

姓名年龄最具代表性的成果在课题组中承担的任务

魏延恒男硕士研究生

在读

23 1.以第二作者撰写教材《OMNeT++网络

仿真》（所负责部分15万字）

2.完成论文《A Novel Gossip-based

Multirate Overlay Multicast

Strategy》(已投稿ICC会议) 3.完成

论文《基于gossip算法的overlay组播

负载均衡机制》拟投稿

新型overlay拓扑结构设

计、OMNeT++仿真模型实现

屈宇清男硕士研究生

在读

23 1. 论文《A New Energy-efficient

Transmission Scheme Based Ant

Colony Algorithm for Wireless

Sensor Networks》（ChinaCom2013已

录用）

2. 申请专利《基于蚁群算法的高能效

无线传感器网络路由方法》（已受

理）

负载均衡算法设计、OMNeT++仿真实现

劳保强男硕士研究生

在读

24 1.参与并完成了基于熔岩地质下的无

线传感器网络设计与实现项目，参与

基于chirp超宽带系统发射机与接收机

的硬件实现项目工作；

2.完成论文《近程微波全息成像的仿

真分析》拟投稿。

算法仿真实现

呼金亮男硕士研究生

在读

26 1.参加国家基金项目一项《多跳无线

网络位置感知与能效优化》，形成论

文《蜂窝网中基于能量感知的内容协

作分发算法》初稿。

2.仔细研读了Dimitri P.

Bertersekas撰写的《Nonlinear

Programming》一书，对优化算法和优

化理论有一个深刻的理解并将其能熟

练应用于各种优化模型中。

算法设计、仿真实现

黄海琴女硕士研究生

在读

24熟练掌握排队论理论速率分配算法设计

项目概况

项目名称

项目类别

学科专业代

码

研究方向

社会科学项目

自然科学项目

申请经费万元

学科专业名

称

起止年限

是否重点学

科

至

国家级

自治区级

课题组成员简介

下一代overlay

多速率视频组播系统优化研究

2014年1月

2014年12月

3.0

081001通信与信息系统

网络优化

项

目

主

要

研

究

内

容

及

技

术

指

标

（限300字）1.主要研究内容：

本项目分别在overlay拓扑构建、速率分配以及负载均衡方面对overlay视频组播系统进行优化：（1）overlay网络拓扑总体可分为树型和mesh型结构，两者存在优势互补的特点。本项目拟

在overlay网络拓扑的构建过程中引入gossip算法，开创性的提出树网结合的组播方案，结合两种拓扑结构的优点，并通过理论建模及系统级仿真平台OMNeT++分析验证新型组播方案的性能。（2）基于上述overlay拓扑结构，根据网络的不同资源条件和用户的不同需求，创新性提出基于gossip算法的速率分配方案及相应算法，优化网络性能。（3）基于上述速率分配方案和网络拓扑结构，研究基于gossip算法的数据分发机制，均衡网络负载，优化视频组播性能。

2．技术指标

所构建的新型overlay组播系统通过以下指标衡量性能：

（1）拓扑结构既具备树型拓扑拓展性好、时延小的优点同时结合mesh拓扑鲁棒性好的优点。（2）速率分配满足异构用户需求

（3）参与数据分发的节点数量，数量越多，负载越均衡，网络资源利用越充分。

主题词（不超过3个）overlay网络多速率组播 gossip算法

一、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题

1.研究目标

解决异构overlay视频组播网络的速率分配问题以及负载分配不均问题，提出新型overlay组播协议，优化组播网络性能以适应异构用户对于实时大数据量视频数据的不同需求。

2.研究内容

（1）基于gossip算法的overlay网络拓扑优化研究

参与组播会话的终端节点组成一个逻辑上的，对等的虚拟叠加网络拓扑，这一网络构建于底层物理网络之上, 依赖于底层物理网络的支持(比如底层IP 网络的路由等) , 我们称之为overlay网络。并不像IP 组播那样数据报在路由器进行复制转发，overlay组播的数据在端系统上复制并转发，同时端系统也负责组播组成员的管理。传统的overlay网络拓扑分为树型结构和mesh型结构两种，两者之间可以优势互补。树型结构的拓展性好，数据分发效率高，网络开销少，但鲁棒性差；而mesh型结构拓扑鲁棒性好，但时延大，网络冗余较大。本项目拟利用gossip算法将两种拓扑结构的优点结合在一起，优势互补。拟设计出树网结合的组播方案，逻辑拓扑的构建及管理方面充分继承树型结构拓展性好，开销少的优点，而在数据分发方面，引入gossip算法借

鉴mesh型的数据分发拓扑鲁棒性好的特点，同时保留树型结构效率高冗余少的特点。最后通过理论建模及系统级仿真平台OMNeT++分析验证新型组播方案的优势。

（2）基于gossip算法的多速率overlay视频组播系统速率分配优化研究

多速率组播以不同的速率向接收能力不同的成员发送数据, 实现方式有路由器过滤、流复制和分层组播等。多速率视频组播系统中，分层视频编码（scalable video coding，SVC）通过数据的分层传输来实现不同的传输速率, 接收端根据加入层组的数量不同就可以获得不同服务质量的数据, 满足了网络异构性要求。因此本项目将根据overlay网络的不同应用条件和终端需求，研究在采用分层组播分发数据时，层优先级、层数、各层大小、层的动、静态划分等内容，即研究基于gossip算法的速率分配方案及相关算法，优化组播性能。

（3）基于gossip算法的多速率overlay视频组播系统网络负载均衡优化研究

本项目所提出的新型树网结合overlay组播协议是在树型逻辑拓扑结构的基础上在数据分发机制上通过gossip算法结合mesh型拓扑的优点。传统拓扑结构中，底层的叶子节点占整个网络拓扑的大部分，而上层的领导节点则仅占小部分。由于视频组播的数据量巨大，而数据分发环节过度依赖领导节点，导致网络负载的分配不均，领导节点的负载过重影响组播性能。本项目研究基于gossip算法的数据分发机制，充分开发叶子节点的能力，充分利用下层节点的资源，与领导节点共同分担网络负载。同时合理控制网络开销，减少网络冗余，在保稳定性和鲁棒性的前提下，均衡网络负载，优化网络性能。

3.拟解决的关键问题

(1)构建树网结合的新型overlay网络拓扑结构。树型拓扑结构和mesh型拓扑结构是两种完全不同的网络拓

扑。在构建树网结合拓扑结构时，既要保留各自原有优点，也要相互借鉴优点弥补缺点。本项目中如何采取借助gossip算法在尽量保持树型拓扑结构优点的基础上，引入mesh型数据分发机制，最大化借鉴mesh型拓扑结构的优点，使新型拓扑结构性能最优是第一个需要解决的关键问题。

(2)对于一个实际的通信网络，可以采用一个有向图加以描述和研究。如何选取满足多速率庞大异构通信

的“典型”网络拓扑结构来构建基于gossip算法的多速率overlay组播模型是优化研究的关键问题之一。

(3)通过gossip算法充分利用叶子节点均衡网络负载。上层领导节点的节点能力较强，利用上层节点分发数据可以保证数据分发的正确性和稳定性。而下层叶子节点的节点能力参差不齐，如何在保证数据分发正确性和稳定性的基础上，充分开发叶子节点的资源，优化网络负载分配也是本项目需要解决的一个关键问题。

二、研究工作的总体安排及进度

本项目组成员首先阅读国内外相关经典论文并进行理论分析及仿真实现。然后构建基于gossip算法的overlay多速率组播速率分配模型以及网络负载分配模型，根据上述理论模型设计树网结合的overlay组播协议。利用系统级网络仿真工具OMNeT++仿真实现并验证新型协议的性能。

2014.1－2014.7

(1)阅读课题相关的国内外文献，并与相关领域研究专家交流。

(2)理论分析并仿真实现经典算法，在此基础上搭建初步的的仿真平台。

2014.08-2014.12

(1)构建基于gossip算法的多速率overlay组播的速率分配优化模型，利用优化理论和智能算法理论提出可行的、收敛速度快的分布式算法。

(2)构建基于gossip算法的多速率overlay组播的负载分配模型，利用优化理论和智能算法理论提出可行的、收敛速度快的分布式算法。

（3）设计新型的树网结合overlay组播协议，搭建OMNeT++仿真平台实现验证新型协议的性能。

(4)总结研究成果，发表论文2-3篇。

(5)撰写结题报告。

三、研究工作的预期成果及成果提交形式

预期成果：

（1）本课题研究多速率overlay组播系统（Overlay Multi-rate Multicast System）的速率分配和负载均衡优化问题。针对其所涉及的异构性、公平性、稳定性等要求建立适宜的优化模型。

（2）基于所建立的模型利用gossip算法并结合系统级网络仿真工具OMNeT++设计出新型的树网结合overlay多速率视频组播系统。新提出的组播协议不仅满足组播内负载均衡、高效的要求，而且满足通信网中对异构性、安全可靠性和稳定性的要求。

提交形式：

本课题组将上述研究成果以报告形式予以提交；研究成果以论文形式公开发表，预计在国内外核心期刊和国际会议上发表论文2~3 篇，其中1-2篇以上被EI 检索。

四、经费概算（单位：万元）拟申请财政资助额度学校配套经费其他来源经费支出科目金额计算根据及理由

计算、测试、分析费

0.50模型分析、算法的仿真、计算

出版、文献检索、信息通讯费 1.50主要用于支付论文版面费，国内杂志平均每篇2000元，国外杂志平均每篇8000元业务资料、报告、论文印刷费0.20资料复印费

实验材料费0.20工作站维护、打印机耗材等

仪器设备费0.60用于购买仿真试验所必须的设备或配件

合计

1.5 1.500

五、导师推荐意见（包括课题的意义，申请人的学术水平、创新能力评价，对项目结果的预测，总经费预算，以及可能提供的支持等）

六、所在学科意见

签名: 年月日

七、学校审核意见（包括能否提供经费配套的说明）

学科负责人（签章）: 年月日

学校公章:

年月日八、自治区学位委员会、教育厅专家组审核意见

专家组组长签名：

年月日