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无线网络编码的关键问题与技术研究

张婧垚  
【摘要】:网络编码是21世纪以来信息技术领域的一项重大成果。它打破了传统路由器只能简单地存储转发这一常规。通过将多个数据包组合在一起,并利用数据包之间的相关性来解码,网络编码巧妙解决了有向网络中组播最大流等经典的理论难题,大大提高了网络容量和资源的利用效率,并在优化网络管理和提高网络的安全性等诸多方面都具有重要价值。无线信道的广播特性使得网络编码在无线网络中有很大的应用潜力。作为一个新兴的研究领域,无线网络编码面临着无线终端的移动性、无线信道的复杂多变和终端资源受限等许多挑战,有很多关键问题需要解决。本文立足研究无线网络编码的若干关键理论和技术问题,完善现有的理论框架,利用网络编码思想来改善现有无线网络的性能,并为其实用化打下基础。 在基础理论上,建立了一种无线网络的随机图模型,并给出基于无线网络编码的组播最大流路由算法,编码节点选择方法及优化的输出边容量分配策略,继而给出无线网络编码的完整实现框架。在此基础上,从理论上研究了端到端和组播的最大流容量分布,并量化分析无线网络编码的增益和实现复杂度。本文还研究了无向图中的网络编码,首次发现了信息流碰撞现象。此外针对网络编码特有的排队现象和等待延迟,本文从理论上量化分析了延时与传输效率等因素的关系,并提出相应的优化调度策略。 在工程方面,本文将网络编码思想与传统的交叉层技术结合,以改善网络性能。第一项工作是基于网络编码的无线信号干扰消除技术,该技术利用已知的数据包内容,在无需附加同步和功率控制的条件下可有效消除信号干扰,从而增强网络的空间复用性,提高传输效率。另一项工作提出一种乘积码形式的分布式网络纠错码,可显著改善组播的误码性能。 最后,为了让相关技术具有实用性,本文还探讨了网络编码在应用中需解决的实际问题,包括差错控制与重传、延时和QoS保证、及与现有系统的兼容等等,并给出相关的解决方案。基于无线局域网协议,设计并实现了无线网络编码硬件实验平台,解决方案的可行性通过实验得以验证。


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