面向異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)編碼是對(duì)傳統(tǒng)路由機(jī)制的革命性突破，其核心思想是允許網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行處理和操作，而不再僅限于存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)編碼能顯著提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，具有重要的理論價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。異構(gòu)性是通信網(wǎng)絡(luò)的固有特性，網(wǎng)絡(luò)各部分資源的不均勻以及端系統(tǒng)處理能力的差異是異構(gòu)性存在的根源。因此，如何基于網(wǎng)絡(luò)編碼為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)高效的信息傳輸方案是一個(gè)非常有意義的研究課題。本文正是面向這一課題，研究適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上的高

2、效信息傳輸。
　　 本文的主要研究工作包括：
　　 針對(duì)恒定速率分層組播網(wǎng)絡(luò)編碼存在的問(wèn)題，本文研究速率可調(diào)的分層組播網(wǎng)絡(luò)編碼方案。推導(dǎo)出了實(shí)現(xiàn)分層組播網(wǎng)絡(luò)編碼速率最優(yōu)分配的必要條件；并提出了一種以最大化網(wǎng)絡(luò)總吞吐量為目標(biāo)的分層組播網(wǎng)絡(luò)編碼速率的優(yōu)化選擇算法?；诒舅惴▽?shí)現(xiàn)的分層組播網(wǎng)絡(luò)編碼能夠獲得比現(xiàn)有方案更高的網(wǎng)絡(luò)總吞吐量。此外，為了使本算法同樣適用于具有較高異構(gòu)性的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，本文還提出了一種基于遺傳算法的優(yōu)化問(wèn)題

3、求解方案。此方案能夠以較高的時(shí)間效率求解出分層組播的最優(yōu)速率分配。
　　 針對(duì)組播內(nèi)網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)適用網(wǎng)絡(luò)的限制，本文根據(jù)信源分層編碼嚴(yán)格的等級(jí)化結(jié)構(gòu)提出了一種基于組播間網(wǎng)絡(luò)編碼的多速率信息傳輸方案--層間等級(jí)組播。本文將層間等級(jí)組播中各鏈路編碼類型的優(yōu)化選擇問(wèn)題劃歸成了一個(gè)0-1規(guī)劃問(wèn)題，并提出了一種啟發(fā)式的層間編碼類型優(yōu)化選擇算法。理論證明和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明本文構(gòu)建的層間等級(jí)組播能夠獲得高于分層組播的網(wǎng)絡(luò)總吞吐量。
　　

4、為了避免求解復(fù)雜的多組播資源優(yōu)化分配問(wèn)題，本文轉(zhuǎn)而研究利用單一線性網(wǎng)絡(luò)編碼會(huì)話在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)多速率信息傳輸?shù)目尚行?。本文從理論上研究了基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸采用特殊方式打包的信源分層編碼數(shù)據(jù)的廣播方案，推導(dǎo)出了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中利用單一線性廣播網(wǎng)絡(luò)編碼會(huì)話實(shí)現(xiàn)多速率信息傳輸?shù)某晒Ω怕省?br>　　 上述推導(dǎo)表明由于線性網(wǎng)絡(luò)編碼無(wú)法保證接收端解碼空間的維數(shù)，因此單一線性網(wǎng)絡(luò)編碼會(huì)話無(wú)法保證多速率信息傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一類新的

5、線性網(wǎng)絡(luò)編碼--嚴(yán)格線性網(wǎng)絡(luò)編碼。本文詳細(xì)研究了嚴(yán)格線性散播的構(gòu)建算法、普通線性散播與嚴(yán)格線性散播的轉(zhuǎn)換關(guān)系、以及嚴(yán)格線性網(wǎng)絡(luò)編碼的性能優(yōu)勢(shì)等，并將相應(yīng)理論拓展到了靜態(tài)嚴(yán)格線性網(wǎng)絡(luò)編碼中。另外，本文基于嚴(yán)格線性網(wǎng)絡(luò)編碼和靜態(tài)嚴(yán)格線性網(wǎng)絡(luò)編碼為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提出了一類多速率信息傳輸方案。此類方案能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中具有不同接收能力的信宿傳輸不同數(shù)量的可解信源數(shù)據(jù)，真正利用單一網(wǎng)絡(luò)編碼會(huì)話實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上的多速率信息傳輸。其中，基于靜態(tài)嚴(yán)格線性網(wǎng)絡(luò)編碼的

6、方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路故障還具有極強(qiáng)的魯棒性。
　　 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)編碼理論的研究主要集中于恒定速率線性網(wǎng)絡(luò)編碼。如何高效地構(gòu)建變速率線性網(wǎng)絡(luò)編碼，以及如何在每個(gè)可行的信源發(fā)送速率下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的多速率信息傳輸至今無(wú)人討論。本文研究變速率線性網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一框架，證明了在網(wǎng)絡(luò)中各非源節(jié)點(diǎn)均具有相同局部編碼核的各類變速率線性網(wǎng)絡(luò)編碼的存在性。進(jìn)一步，基于嚴(yán)格線性網(wǎng)絡(luò)編碼，本文提出了一種變速率線性網(wǎng)絡(luò)編碼的高效構(gòu)建方案。本方案利用一個(gè)恒定速率的嚴(yán)格線

7、性網(wǎng)絡(luò)編碼實(shí)現(xiàn)了變速率線性網(wǎng)絡(luò)編碼，使得網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)僅需要存儲(chǔ)一個(gè)局部編碼核即能支持信源全部可能發(fā)送速率下的信息傳輸。結(jié)合特殊的信源數(shù)據(jù)打包方式，本文構(gòu)建的變速率線性網(wǎng)絡(luò)編碼可以在任意信源發(fā)送速率下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的多速率信息傳輸，從而滿足異構(gòu)信宿的接收需求。此外，本文還基于靜態(tài)嚴(yán)格線性網(wǎng)絡(luò)編碼提出了變速率靜態(tài)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的高效構(gòu)建方案。在采用本方案的網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)論是信源發(fā)送速率發(fā)生變化還是網(wǎng)絡(luò)中某些鏈路發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)上的編碼操作