无线网络中流间网络编码的研究

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网络编码技术作为一种融合了路由和编码的信息交互技术,改变了现有存储转发的网络传输模式。网络编码的提出者R Ahlswede,Cai Ning等人指出,通过网络编码,可以达到多播路由传输的最大流界,提高信息的传输效率,这在传统存储转发传输模式下是很难达到的。因为这个颠覆性结论,网络编码至提出以来,迅速成为通信领域的热点研究课题。  网络编码一般分为流内和流间两种网络编码方法。针对单一数据流的流内网络编码研究,已经取得一定的进展。研究考虑多数据流并存的流间网络编码方法,对推动网络编码技术发有着重要的研究和应用价值。作为一个新兴的技术,流间网络编码仍然存在着很大的研究空间。比如在有损网络下的增益问题,在网络重传上的效率问题,以及编码感知的优化性问题等,仍然是该领域的开放性课题。本文主要对流间网络编码方法进行了系统的讨论与分析,分别对其在有损网络传输、点对多点网络重传以及多跳编码感知中的传输特点、性能增益以及优化方法等方面做了深入的研究,主要贡献如下:  (1)针对流间网络编码在有损网络中的增益下降问题,通过论证链路质量与编码增益的关系,提出一个最大化编码增益的流间网络编码方法。该方法在编码端使用随机线性网络编码,并通过探测输出链路与侦听链路的质量来自适应调节数据流之间的编码比率,从而获得最大的网络编码增益。仿真实验结果表明,该方法相比于传统流间网络编码方法提升15%的吞吐性能,减少50%的反馈次数。  (2)针对多数据流的点对多点网络重传问题,提出最优化重传效率的流间网络编码重传方法。该方法把若干单播数据流组合为一个重传组,来优化整个重传组的传输效率。通过把该优化问题建模成背包问题,并利用有向图理论模型化整个重传过程,给出该方法所能达到的传输增益下界。仿真结果表明,提出的重传方法相比于传统网络编码重传方法可以节省43%的重传次数,同时可以让近90%的重传数据包享受到网络编码带来的增益。  (3)针对网络编码感知路由的优化性问题,分别对基于机会路由和反压力路由的两种编码感知策略进行了研究,并提出具体的设计方法。基于机会路由,推理得出在机会路由下进行编码感知不能依赖传统的最大化编码机会的路由策略。并针对这个结论,提出一个吞吐优化的机会路由编码感知方法。该路由方法相比于传统编码感知机会路由方法,可以提高近30%的网络吞吐能力。其次,考虑到编码感知路由在多跳网路由中的全局优化问题,提出基于反压力路由的编码感知方法。该方法把编码感知加入到反压力路由策略中,加快释放相邻节点之间的积压数据,驱使着数据流向着更多编码机会的路径传输。利用李雅普诺夫稳定性理论,证明了该路由方法在排队网络中为吞吐最优的路由策略。仿真结果表明,提出的方法可以极大地提升网络吞吐能力,减少网络的平均延迟。尤其在高负载网络中,该方法可以很好地处理网络拥塞问题,提高网络传输容量。
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