網(wǎng)絡(luò)編碼研究綜述

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1、網(wǎng)絡(luò)編碼研究綜述摘要：網(wǎng)絡(luò)編碼是通信網(wǎng)絡(luò)中信息處理和傳輸理論研究上的重大突彼，它的核心思想是允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行編碼處理。它在提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量即數(shù)據(jù)傳輸可靠性等方而擁冇顯著的優(yōu)勢(shì)。本文介紹網(wǎng)絡(luò)編碼的基本原理以及主要優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼的研究進(jìn)展進(jìn)行分析，分析網(wǎng)絡(luò)編碼當(dāng)前面臨的重要問(wèn)題,以及解決網(wǎng)絡(luò)編碼問(wèn)題可能采取的方法。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)編碼；隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼；網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制引言香港中文大學(xué)的R.Alshwede等在2000年的IEEE信息會(huì)議上發(fā)表的一篇著名論文⑴，該論文首次提出了網(wǎng)絡(luò)編碼(NetworkCoding)的概念，并從理論上證明了：如果允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

2、對(duì)傳輸?shù)男畔凑蘸线m的方式進(jìn)行編碼處理，而不是局限于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，則基于該方式的網(wǎng)絡(luò)多播總能夠?qū)崿F(xiàn)理論上的最人傳輸容量。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸信息進(jìn)行操作和處理的過(guò)程，就稱為網(wǎng)絡(luò)編碼。網(wǎng)絡(luò)編碼的提出是網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域中的一項(xiàng)重耍突破，自其被Ahiswede提出以來(lái)，已迅速發(fā)展成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，對(duì)信息論、編碼、通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換理論、無(wú)線通信、計(jì)算機(jī)科學(xué)、密碼學(xué)、矩陣論等研究領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，已成為當(dāng)今最熱門的研究領(lǐng)域之一。網(wǎng)絡(luò)編碼是一?種融合編碼和路rfl的信息交換技術(shù)。它的原理是，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的多個(gè)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行編碼融合,經(jīng)過(guò)編碼后的數(shù)據(jù)被屮間節(jié)點(diǎn)以

3、多播的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，口的結(jié)點(diǎn)可依據(jù)相應(yīng)的編碼系數(shù)進(jìn)行解碼，從融合的數(shù)據(jù)中還原出原始的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)編碼通過(guò)允許網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)對(duì)不同數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)編碼獲得網(wǎng)絡(luò)最人流傳輸理論的上界，從而改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)智能從當(dāng)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的角色。網(wǎng)絡(luò)編碼已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，國(guó)外一些著名的院校和實(shí)驗(yàn)室都對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行了研究，例如MIT、普林斯頓人學(xué)和微軟研究院等，它們的研究側(cè)重點(diǎn)在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量及提高網(wǎng)絡(luò)能量利用率，以及編碼提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃院桶踩缘确矫?。其中，前一個(gè)側(cè)重點(diǎn)的研究多集中在傳輸中編碼策略的研究a?,而在提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘确矫娴难芯慷嗉性跀?shù)據(jù)的重傳策

4、略方面⑷。國(guó)內(nèi)香港屮文大學(xué)和西安電子科技大學(xué)等方面的學(xué)者對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼的研究做出了重耍的貢獻(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)編碼的思想是由楊偉豪和李碩彥首次提出。他們將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于檢測(cè)和糾正網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤的研究。楊偉豪和蔡寧⑸在經(jīng)典糾錯(cuò)碼的基礎(chǔ)上引入了網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)碼的概念，通過(guò)引入空間域的冗余代替時(shí)間域的冗余來(lái)糾正網(wǎng)絡(luò)通信屮的錯(cuò)課，將經(jīng)典糾錯(cuò)碼的Hamming界、Singleton界和Gilbert-Vashamov界推廣到網(wǎng)絡(luò)編碼中。木文對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼的基本概念和網(wǎng)絡(luò)編碼的研究現(xiàn)狀以及在研究中存在的問(wèn)題進(jìn)行描述和分析。1.網(wǎng)絡(luò)編碼的原理和優(yōu)缺點(diǎn)1.1網(wǎng)絡(luò)編碼的原理在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)僅對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)

5、行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，難以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖畲笸倘~量和帶寬利用率，若數(shù)據(jù)傳輸路徑出現(xiàn)瓶頸鏈路，則網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能將受到限制。為此，引入網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，增加節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的編碼運(yùn)算能力，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)鏈路的帶寬資源，減小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中瓶頸鏈路的影響。R.Alshwede等以著名的“蝴蝶網(wǎng)絡(luò)”模型為例，闡述了網(wǎng)絡(luò)編碼的基木原理。如圖1所示，“單信源二信宿”蝴蝶網(wǎng)絡(luò)，設(shè)各鏈路容量為1,S是信源節(jié)點(diǎn)，Y和Z是信宿節(jié)點(diǎn)，其余為中間節(jié)點(diǎn)。根據(jù)“最大流最小割”定理，該多播模型理論最大傳輸容量為2,即信宿Y和Z能夠同時(shí)接收信源S發(fā)出的2個(gè)單位的信息，也就是說(shuō)能同時(shí)收到bl和b2。圖1(a)表示的是

6、傳統(tǒng)的路曲傳輸方式，假定節(jié)點(diǎn)W轉(zhuǎn)發(fā)信息bl,則鏈路WX、XY和XZ上傳輸?shù)男畔⒕鶠閎l,雖然信宿Z收到bl和b2,但是信宿Y時(shí)能收到bl,因此信宿Y和Z無(wú)法同時(shí)收到bl和b2,該多播不能實(shí)現(xiàn)最大容量傳輸。圖1(b)表示的是網(wǎng)絡(luò)編碼方法，節(jié)點(diǎn)W對(duì)收到的信息不再僅僅是存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)了，而是對(duì)收到的信息進(jìn)行異或操作，然后將操作結(jié)果b"b2轉(zhuǎn)發(fā)出去，經(jīng)過(guò)鏈路最終到達(dá)信宿Y和乙信宿節(jié)點(diǎn)收到信息后進(jìn)行解碼操作(對(duì)于Y節(jié)點(diǎn)，解碼操作為blA(blAb2))就能解出bl或b2,因此信宿Y和Z就能同時(shí)收到信源發(fā)出的bl和b2。因此基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多播實(shí)現(xiàn)了理論上的最大傳輸容量。由此知

7、道，網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想是，貝備編碼條件的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的信息進(jìn)行一定方式的處理，然后傳傳輸給下一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如果收到信息的下--級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擁有編碼能力，同樣進(jìn)行對(duì)信息編碼，如此一級(jí)級(jí)傳遞下去，宜到所有經(jīng)過(guò)處理的信息都匯聚到信宿節(jié)點(diǎn)為止。最后在信宿節(jié)點(diǎn)通過(guò)逆過(guò)程的操作，即譯碼，解碼出信宿節(jié)點(diǎn)傳遞的原始信息。網(wǎng)絡(luò)編碼是發(fā)生在域Fq上的操作，如果域Fq無(wú)限大，則運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)編碼的多播傳輸能達(dá)到理論上的最大傳輸容量等于各信宿節(jié)點(diǎn)的最大流的最小值，即h=min{maxflow(ti)},ti^Toblbl.b2(a)bUbl4b2bl.b2H>2(b)圖1.單信源二信宿蝴

8、蝶網(wǎng)絡(luò)1.2網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)缺點(diǎn)1.2.1