基于網絡編碼的無線網絡通信機制研究.pdf

1、無線網絡的傳輸性能受到多種無線網絡特征的影響，包括嚴重的信號同頻干擾，有限的網絡帶寬，終端的移動性高，無線信道的不穩(wěn)定等等。網絡編碼自2000年被提出以來，作為一種可以壓縮比特信息流的編碼機制，被廣泛應用到多個領域中以提升無線網絡的性能。傳統(tǒng)的網絡優(yōu)化機制中主要考慮的是如何避免數(shù)據流之間的碰撞干擾，而網絡編碼的核心思想是節(jié)點將來自于多條入度鏈路的信息流融合為一個單獨的編碼信息流傳輸，通過這種方式，網絡中傳輸?shù)臄?shù)據包數(shù)量將大為減少，從而可

2、以改善網絡容量。網絡編碼不僅利用數(shù)據流的耦合為提升網絡容量帶來了一種新的思路，還有其它的一些優(yōu)勢，比如節(jié)能，提高傳輸魯棒性，保障信息安全等。
　　 正由于網絡編碼擁有多個潛在的應用領域，使其得到了來自于學術界和工業(yè)界的廣泛關注。網絡編碼的思想可其它多種技術和算法相結合，并且正在成為下一代無線網絡中最重要的研究領域之一。
　　 本文著眼于解決將網絡編碼應用于無線網絡的四個主要網絡層次中所出現(xiàn)的問題。首先，本文研究了如何在網

3、絡層上限制編碼次數(shù)以提高能量的有效性；然后，我們在MAC 層上研究了公平調度與網絡編碼的結合，以保障多用戶系統(tǒng)的容量增益；之后，為了加強多中繼無線網絡的雙向數(shù)據交換，提出了一種基于物理層網絡編碼的分布式協(xié)作通信機制；最后，在應用層，我們引入了層次化網絡編碼，用以在無線網絡中構建可靠、靈活的多跳多徑切換連接。
　　 本文主要取得了如下研究成果：
　　 （1）提出了一種基于網絡編碼的數(shù)據分發(fā)機制CRNC。為了限制傳統(tǒng)網絡編碼

4、中固有的冗余性，受經典的傳染病傳播模型的啟發(fā)，我們提出了一種受限網絡編碼模型。在該模型中，原始編碼數(shù)據包的最大復制次數(shù)是調節(jié)編碼數(shù)據包的傳輸時延和傳輸數(shù)量的關鍵參數(shù)。文中對網絡中存在的“熱點”進行了分析，特別是在能量有限的條件下，作出最優(yōu)的流量控制策略。CRNC 機制可以在資源消耗和網絡性能之間達到較好的均衡。
　　 （2）提出了一種基于網絡編碼感知的公平調度機制FSNC。傳統(tǒng)網絡編碼專注于網絡整體吞吐率的提高，忽視了用戶在解碼

5、能力和信道狀態(tài)上的差異。如果缺乏適當?shù)恼{度，網絡編碼可能會給吞吐率增益帶來負面影響。為此，F(xiàn)SNC 機制引入了銀行信貸模型以平衡用戶在統(tǒng)計上的短期公平性。FSNC 機制還根據包含有用戶知識空間信息的ARQ 反饋消息，做出調度決策。仿真實驗證實，F(xiàn)SNC 機制可以在提供公平的服務時間的同時，提升多用戶系統(tǒng)中每個用戶的吞吐率。
　　 （3）提出了一種基于網絡編碼的分布式協(xié)作通信機制NCCC。為了利用無線信號之間的相互干擾，我們引入了

6、基于信道參數(shù)的物理層網絡編碼以構建編碼系數(shù)矩陣，并且設計了分布式中繼節(jié)點選擇算法，以選擇出能夠最大化即時互信息量之和的合適的中繼節(jié)點集合。理論和仿真結果表明NCCC 機制可以在多信源多信宿的無線網絡的雙向數(shù)據交換過程中提升包括平均網絡容量和中斷概率在內的網絡性能。
　　 （4）提出了一種基于網絡編碼的多目標切換機制NCHO。為了改善傳統(tǒng)多跳切換中存在的可靠性和實時性差的問題，引入了層次化網絡編碼技術。層次化網絡編碼可以在類似于勢