网络编码(network coding)技术是近年来网络通信研究领域的一项重大突破,它允许网络节点在传统数据转发的基础上参与数据处理,已成为提高网络吞吐量、鲁棒性和可靠性的有效方法。无线链路的广播传输特性非常适合网络编码技术的应用。目前,无线网络与网络编码技术的结合已引起国内外研究者的广泛关注。本论文以网络编码技术在无线网络中的应用为主旨,以改善无线链路的传输可靠性和提高无线网络的吞吐性能为目标,对结合网络编码的无线局域网多播通信、无线多跳环境下的路由优化和无线广播系统的重传性能改进等问题进行了深入研究,提出了相应的协议设计方案和理论分析模型。本论文的主要内容和创新性成果如下:第一,对网络编码的理论和应用研究现状进行了综述,对网络编码的概念和基本原理作了说明,对网络编码的构造方法和优化措施进行了归类和分析,并指出网络编码在无线网络应用中的现状、关键技术和发展趋势。第二,针对现有IEEE 802.11 MAC协议无法提供可靠多播服务的缺陷,提出一种基于网络编码的无线局域网多播MAC协议MPNC (Multicast Protocol based on Network Coding)。该协议采用网络编码组传输模型发送多播数据。对于多播源节点,采用随机线性码对多播数据帧进行编码组合发送,对于多播接收节点,在接收的编码帧累积到一定数量后通过解码操作恢复出所需的原始数据。根据802.11DCF指数退避机制,建立了多播和单播节点信道竞争的二维Markov分析模型,推导了差错信道和饱和负载条件下MPNC协议的吞吐量理论表达式。模拟实验验证了理论模型的正确性,结果表明MPNC协议可有效减少多播数据帧的发送次数,提高无线带宽的利用效率。第三,针对已有的无线局域网多播MAC协议使用固定物理层发送速率而不能快速适应信道变化的不足,基于交叉层设计思想,提出一种基于网络编码的速率自适应多播MAC协议RAMPNC (Rate Adaptive Multicast Protocol based on Network Coding)。该协议的关键特征包括两部分:一方面,采用网络编码组传输模型发送多播数据,利用网络编码的信息融合特性减少多播帧的发送次数,进而提高无线带宽的利用效率;另一方面,协议利用RTS-CTS握手信号实现信道状态信息交换,使多播源节点能够根据接收节点反馈的信道信噪比估值动态调整物理层发送速率。模拟测试实验表明RAMPNC协议能快速地响应信道变化,在多播吞吐量,平均帧传输延时和帧投递率等方面获得比已有方案更优的性能。第四,研究了无线多跳环境下多单播信息流的网络编码传输方案。结合网络编码和机会路由两种技术提出一种具有网络编码意识的机会路由协议NCAOR(Network Coding-Aware Opportunistic Routing)。选取期望传输次数ETX(Expected Transmission Count)作为机会路由的路由度量,协议允许每一跳节点选取多个符合特定条件的邻居构成机会节点集参与数据转发。通过定义综合路径距离和编码收益的效能函数,使各机会节点分布计算接收报文的转发效能,并根据相应结果智能地设置报文响应时间。以数据报文的平均传输次数作为性能指标,分析了两跳中继双向流模型和多跳中继双向流模型下NCAOR协议的传输性能,并讨论了链路投递率、机会节点数目、转发路径长度等因素对协议性能的影响。模拟实验表明,NCAOR与采用最短路径路由的网络编码传输方案COPE (Complete Opportunity Encoding)相比,在网络吞吐量、能耗和节点编码机会等性能指标上均有更优的表现。第五,研究利用网络编码技术改善无线广播系统的重传性能。提出一种基于随机网络编码的无线广播重传方法RNC-ARQ(Random Network Coding- Automatic Repeat Request)。该方法采用批处理方式发送广播数据包,并以单个批次长度为单位进行逐批重传操作。根据单个批次数据包接收反馈矩阵,源节点对该批次内的所有丢失包进行随机编码组合并重传,使各用户节点通过解线性方程组的方式恢复出丢失的数据包。针对Gilbert-Elliott模型表征的突发差错信道,建立了信道状态和节点接收处理流程合并的多状态马尔可夫模型,并以此为基础推导了随机编码重传方法的吞吐量闭合解。模拟实验验证了所提模型的正确性,结果表明同等信道条件下,基于随机网络编码的重传机制相对传统的选择重传机制和异或编码重传机制能获得更高的广播吞吐性能。