網(wǎng)絡編碼在無線通信中的應用研究.pdf

1、1956年，Elias、Feinstein和Shannon指出：“通信網(wǎng)絡端對端的最大信息流是由網(wǎng)絡的最小割決定的”，但是傳統(tǒng)路由器的存儲轉發(fā)模式根本不可能達到香農最大流最小割定理的上界。直到本世紀初，香港中文大學的R.Ahlswede等人在IEEE Transactions on Information Theory上發(fā)表了一篇題為Network information flow的文章中，基于網(wǎng)絡信息流的概念提出了網(wǎng)絡編碼的思想。他們

2、指出網(wǎng)絡節(jié)點對不同的信息流進行編碼組合，可以獲得網(wǎng)絡組播速率的最大流限，而通過傳統(tǒng)的存儲和轉發(fā)不能獲得該最大流限。
　　 為了研究網(wǎng)絡編碼在無線通信系統(tǒng)中的性能，從網(wǎng)絡編碼的構造方法入手，分析了線性網(wǎng)絡編碼、隨機網(wǎng)絡編碼和代數(shù)型網(wǎng)絡編碼的具體實現(xiàn)，尤其對隨機線性網(wǎng)絡編碼做了深入研究，并通過實際例子進行詳細論述。在以上理論工作的基礎上，接下來研究了網(wǎng)絡編碼應用在幾種無線通信環(huán)境下的性能增益，構造通信系統(tǒng)模型，提出不同的算法，設置不

3、同的參數(shù)環(huán)境，論證網(wǎng)絡編碼的應用性能，得到理論結果，并仿真驗證。主要結論及創(chuàng)新點如下：
　　 研究網(wǎng)絡編碼在中繼網(wǎng)絡及協(xié)作通信網(wǎng)絡中的性能，設計了三種Turbo式網(wǎng)絡編碼系統(tǒng)結構，并分別與不使用網(wǎng)絡編碼的相應系統(tǒng)性能作比較，突出了網(wǎng)絡編碼帶來的誤碼性能增益。
　　 在此基礎上，提出信道編碼與網(wǎng)絡編碼聯(lián)合設計的模式應用在協(xié)作分集通信中的觀點，網(wǎng)絡編碼可以與LDPC碼、卷積碼以及空時碼等聯(lián)合編碼，帶來誤碼性能及吞吐量等方面的

4、進一步改善，并給出了仿真驗證。
　　 重點論述了網(wǎng)絡編碼在分布式存儲中的性能，針對分布式存儲中的一個重要參數(shù)-信源節(jié)點的度，從理論的角度推導出信源節(jié)點的度與恢復數(shù)據(jù)所需查詢的存儲節(jié)點數(shù)量之間的折衷關系，并給出了相應的定理和公式。這一理論公式也直接體現(xiàn)了網(wǎng)絡編碼代價及其帶來的增益之間的折衷關系，具有現(xiàn)實指導意義。
　　 最常用在分布式存儲中的碼型是糾刪碼（erasure code），如RS碼、數(shù)字噴泉碼（LT碼，Rapto

5、r碼）。針對這些碼型的局限性以及網(wǎng)絡編碼的優(yōu)勢，研究了網(wǎng)絡編碼在分布式存儲系統(tǒng)中的應用。以傳感器網(wǎng)絡模型為例，對分布式網(wǎng)絡中實施網(wǎng)絡編碼所帶來的系統(tǒng)能耗、吞吐量等方面的增益做了深入研究，設置不同的網(wǎng)絡環(huán)境，分析了幾種仿真參數(shù)下的性能，論證了網(wǎng)絡編碼在分布式存儲中富有潛力的應用前景。
　　 為了分析隨機線性網(wǎng)絡編碼在無線Mesh網(wǎng)絡中進行文件共享時的性能增益，分三種情況仿真：上傳數(shù)據(jù)受限且MAC層理想無沖突情況下，闡明了隨機線性網(wǎng)