面向數(shù)據(jù)分發(fā)的部分網(wǎng)絡(luò)編碼方法研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,各種無線通信網(wǎng)絡(luò)與人們的生活和工作聯(lián)系得越來越緊密,同時(shí)人們對網(wǎng)絡(luò)的多樣化服務(wù)以及傳輸質(zhì)量提出了更高的要求。而在無線通信網(wǎng)絡(luò)中由于無線鏈路的廣播特性、不可靠性以及節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性,使其應(yīng)用受到很多限制,網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗問題以及節(jié)點(diǎn)的擾動(dòng)性問題等亟待解決。因此,如何更有效利用無線通信網(wǎng)絡(luò)的有限資源實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)分發(fā),是目前無線通信網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域中最重要的課題之一。
　　網(wǎng)絡(luò)編碼的提出為實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)

2、量的數(shù)據(jù)分發(fā)指明了研究方向。網(wǎng)絡(luò)編碼融合了編碼和路由的概念,核心思想是允許網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)則對其傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行編碼處理后再轉(zhuǎn)發(fā),不再局限于傳統(tǒng)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。將網(wǎng)絡(luò)編碼引入數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng),可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性以及提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率等。因此,面向數(shù)據(jù)分發(fā)的網(wǎng)絡(luò)編碼方法研究已成為目前數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)研究中的熱點(diǎn)之一。
　　然而,與傳統(tǒng)的基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)操作的路由機(jī)制相比,基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)需要執(zhí)行頻繁的編譯

3、碼操作,增加了節(jié)點(diǎn)額外的存儲和計(jì)算開銷,實(shí)用性較差。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中,信息的到達(dá)很難保證完全同步,節(jié)點(diǎn)要等待接收到一定數(shù)目的信息塊,才能執(zhí)行編譯碼操作,不可避免的產(chǎn)生傳輸延遲。因此,在保證網(wǎng)絡(luò)編碼改善無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)性能的前提下,為了降低網(wǎng)絡(luò)編碼操作帶來的額外存儲計(jì)算開銷,降低傳輸延遲,提出了網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)參與編碼的方法,即部分網(wǎng)絡(luò)編碼方法。
　　論文內(nèi)容主要涉及以下三個(gè)方面:
　　(1)為了解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)能量

4、過度消耗退出網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的“能量空洞”問題,以及將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于編碼代價(jià)產(chǎn)生的傳輸延遲問題,在同構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提出了能量均衡的部分網(wǎng)絡(luò)編碼方法(Energy Balancing Partial Network Coding,EB-PNC)。采用能量均衡的策略提高網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的利用率,避免某些節(jié)點(diǎn)能量過度消耗而提前退出網(wǎng)絡(luò)。采用部分節(jié)點(diǎn)參與編碼的方法,在一定程度上可以減少由于執(zhí)行編譯碼操作帶來的額外開銷,以及編碼節(jié)

5、點(diǎn)進(jìn)行編譯碼操作時(shí)等待信息塊的時(shí)間,從而降低傳輸延遲,延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
　　(2)充分利用異構(gòu)性可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)的性能、延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期,因此在異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中提出了節(jié)點(diǎn)能量預(yù)測的部分網(wǎng)絡(luò)編碼方法(Energy Forecast Partial Network Coding,EF-PNC)。為了解決了完全網(wǎng)絡(luò)編碼方法中節(jié)點(diǎn)盲目編碼的問題,采用部分節(jié)點(diǎn)參與編碼的方法,根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量預(yù)測模型適時(shí)、準(zhǔn)確的選取編碼節(jié)點(diǎn),使

6、節(jié)點(diǎn)能量利用率最大化的同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)編碼帶來的額外開銷。同時(shí)采用分類編碼節(jié)點(diǎn)思想將編碼節(jié)點(diǎn)分為業(yè)務(wù)編碼節(jié)點(diǎn)和能力編碼節(jié)點(diǎn),增加網(wǎng)絡(luò)編碼的魯棒性,提高網(wǎng)絡(luò)編碼的效率,在能量消耗和傳輸延遲方面要優(yōu)于完全網(wǎng)絡(luò)編碼方法。
　　(3)為了解決P2P網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)的擾動(dòng)性帶來的“稀缺塊”問題,在保證數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)整體傳輸性能的前提下,減少網(wǎng)絡(luò)編碼帶來的額外開銷,提出了反饋調(diào)節(jié)的部分網(wǎng)絡(luò)編碼方法(Feedback Regulation Partia

7、l Network Coding,FR-PNC)。使用分層P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在超級節(jié)點(diǎn)中建立塊索引和稀缺塊表,監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)塊分布情況。通過建立負(fù)反饋調(diào)節(jié)模型,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)塊分布情況,動(dòng)態(tài)自主的選擇部分節(jié)點(diǎn)執(zhí)行編碼操作,在解決“稀缺塊”問題的同時(shí)最小化網(wǎng)絡(luò)編碼帶來的額外開銷,降低網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均下載時(shí)間。
　　論文分別在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型中提出了部分節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)編碼的方法,在保證改善網(wǎng)絡(luò)整體傳輸性能的前提下,降低了節(jié)點(diǎn)由于執(zhí)行