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面向异构网络的网络编码技术研究

司菁菁  
【摘要】: 网络编码是对传统路由机制的革命性突破,其核心思想是允许网络中的节点对传输的信息进行处理和操作,而不再仅限于存储和转发。网络编码能显著提高网络传输性能,具有重要的理论价值和广阔的应用前景。异构性是通信网络的固有特性,网络各部分资源的不均匀以及端系统处理能力的差异是异构性存在的根源。因此,如何基于网络编码为异构网络设计高效的信息传输方案是一个非常有意义的研究课题。本文正是面向这一课题,研究适用于异构网络的网络编码技术,从而实现异构网络上的高效信息传输。 本文的主要研究工作包括: 针对恒定速率分层组播网络编码存在的问题,本文研究速率可调的分层组播网络编码方案。推导出了实现分层组播网络编码速率最优分配的必要条件;并提出了一种以最大化网络总吞吐量为目标的分层组播网络编码速率的优化选择算法。基于本算法实现的分层组播网络编码能够获得比现有方案更高的网络总吞吐量。此外,为了使本算法同样适用于具有较高异构性的大规模网络,本文还提出了一种基于遗传算法的优化问题求解方案。此方案能够以较高的时间效率求解出分层组播的最优速率分配。 针对组播内网络编码对适用网络的限制,本文根据信源分层编码严格的等级化结构提出了一种基于组播间网络编码的多速率信息传输方案——层间等级组播。本文将层间等级组播中各链路编码类型的优化选择问题划归成了一个0-1规划问题,并提出了一种启发式的层间编码类型优化选择算法。理论证明和实验结果均表明本文构建的层间等级组播能够获得高于分层组播的网络总吞吐量。 为了避免求解复杂的多组播资源优化分配问题,本文转而研究利用单一线性网络编码会话在异构网络中实现多速率信息传输的可行性。本文从理论上研究了基于随机网络编码传输采用特殊方式打包的信源分层编码数据的广播方案,推导出了在异构网络中利用单一线性广播网络编码会话实现多速率信息传输的成功概率。 上述推导表明由于线性网络编码无法保证接收端解码空间的维数,因此单一线性网络编码会话无法保证多速率信息传输的实现。针对这一问题,本文提出了一类新的线性网络编码——严格线性网络编码。本文详细研究了严格线性散播的构建算法、普通线性散播与严格线性散播的转换关系、以及严格线性网络编码的性能优势等,并将相应理论拓展到了静态严格线性网络编码中。另外,本文基于严格线性网络编码和静态严格线性网络编码为异构网络提出了一类多速率信息传输方案。此类方案能够为网络中具有不同接收能力的信宿传输不同数量的可解信源数据,真正利用单一网络编码会话实现了异构网络上的多速率信息传输。其中,基于静态严格线性网络编码的方案对网络中的链路故障还具有极强的鲁棒性。 当前网络编码理论的研究主要集中于恒定速率线性网络编码。如何高效地构建变速率线性网络编码,以及如何在每个可行的信源发送速率下实现网络中的多速率信息传输至今无人讨论。本文研究变速率线性网络的统一框架,证明了在网络中各非源节点均具有相同局部编码核的各类变速率线性网络编码的存在性。进一步,基于严格线性网络编码,本文提出了一种变速率线性网络编码的高效构建方案。本方案利用一个恒定速率的严格线性网络编码实现了变速率线性网络编码,使得网络中的任意节点仅需要存储一个局部编码核即能支持信源全部可能发送速率下的信息传输。结合特殊的信源数据打包方式,本文构建的变速率线性网络编码可以在任意信源发送速率下实现网络中的多速率信息传输,从而满足异构信宿的接收需求。此外,本文还基于静态严格线性网络编码提出了变速率静态线性网络编码的高效构建方案。在采用本方案的网络中,无论是信源发送速率发生变化还是网络中某些链路发生故障,网络中任意节点上的编码操作均无需改变。 最后,本文还研究了线性网络编码在P2P流媒体传输网络和无线传感器网络中的应用。设计了分层随机线性网络编码与层间等级随机线性网络编码在P2P流媒体传输网络中的应用方案,利用它们的局部解码能力来保证网络节点播放的流畅性。基于网络编码研究了无线传感器网络生存时间的最大化,设计了符合无线网络中能量消耗实际情况的能耗测量模型,实现了无线传感器网络中能量资源的优化分配。


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