（信号与信息处理专业论文）网络编码在无线mesh网络中的应用研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：现代通信中信号与信息处理技术 作者：宋亚鹏 指导教师：徐澄圻教授 题目：网络编码在无线m e s h 网络中的应用研究 英文题目：a s t u d yo na p p l i c a t i o no f n e t w o r kc o d i n gi nw i r e l e s sm e s h n e t w o r k s 主题词：网络编码；无线m e s h 网络；网络安全；c o p e ； k e y w o r d s ：n e t w o r kc o d i n g ；w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ；n e t w o r ks e c u r i t y ； c o p e ； ， 南京邮电大学硕上研究生学位论文 摘要 摘要 网络编码是一种新颖的网络传输技术，它从网络总体或系统性的角度出发，能有效解 决最大流量、路由策略等问题。网络编码可以利用其在网络节点上对所要求传送的消息作 适当的线性或非线性处理来改善网络的传输效率、可靠性、鲁棒性、安全性、节点能耗等 性能，是有别于传统方法的一种新的思路，因而受到高度重视，成为当前网络信息论中一 个重要的研究方向。无线m e s h 网络技术与网络编码一样也是目前关注的重点问题之一。 但是无线m e s h 网络目前在支持广播、组播业务、对无线路由算法的支持、网络容量提高 以及网络安全性方面还存在很多问题，在无线m e s h 网络中引入网络编码技术不失为一种 不错的解决方案。本文研究网络编码技术在无线m e s h 网络中的应用，探讨网络编码对无 线m e s h 网络性能的增益。 本文首先介绍无线m e s h 网络的基础知识，包括体系结构和路由协议两部分。接着阐 述了网络编码的基本原理、模型和处理过程，介绍了几种网络编码编码的构造方式，并对 网络编码在无线m e s h 网络中的适用性进行分析。网络编码在无线m e s h 网络中的应用研究， 主要是将网络编码理论和无线m e s h 技术的结合，探讨在无线m e s h 网络中使用网络编码的 可行性，并就其中的关键技术和基本理论进行分析，给出网络编码带来的无线m e s h 网络 性能的增益。在对网络编码的基本理论进行系统学习的基础上，本文对网络编码应用在无 线m e s h 网络中对系统性能的增益进行了研究，分别从提高网络容量、可靠性、安全性和 简化路由算法四个方面进行探讨。本文还重点研究了一个无线单播网络编码协议c o p e ， 并利用仿真工具n s 2 对其进行仿真实现，分别在理想m e s h 网络环境、随机拓扑的m e s h 网络环境和链路丢包率不为零的m e s h 网络环境下研究其对无线m e s h 网络性能的增益。仿 真结果表明c o p e 协议对无线m e s h 网络端到端吞吐量略有提高，对端到端延时改善较为 明显。 最后，论文就今后工作的发展方向提出了一些个人的观点。 关键词：网络编码；无线m e s h 网络；网络安全；c o p e ； i nw i r e l e s sm e s hn e t w o r kw h i c hc a l ln o te f f i c i e n t l ys u p p o r tb r o a d c a s ta n dm u l t i c a s ts e r v i c e ， w i r l e s sr o u t i n ga l g o r i t h m t h e r ea r ea l s os o m ep r o b l e m si nn e t w o r ks e c u r i t ya n dn e t w o r k c a p a c i t y u s i n gn e t w o r kc o d i n gm a yr e p r e s e n tas o l u t i o n i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o no f n e t w o r kc o d i n gi nw i r e l e s sm e s hn e t w o r ki ss t u d i e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eg a i ni sd i s c u s s e d t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i c sk n o w l e d g eo fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，i n c l u d i n g n e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dr o u t i n gp r o t o c o l s t h e ne x p l a i n st h ep r i n c i p l eo fn e t w o r kc o d i n g ， m o d e la n dp r o c e s s e s ，i n t r o d u c e ss e v e r a ln e t w o r kc o d i n gs t r u c t u r ec o d i n gm e t h o d s ，a n dt h e a p p l i c a b i l i t yo fn e t w o r kc o d i n gi n w i r e l e s sm e s hn e t w o r k sa r es u m m a r i z e d t h es t u d yo n a p p l i c a t i o no fn e t w o r kc o d i n gi nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k sm a i n l yf o c u s e do n t h ec o m b i n a t i o no f n e t w o r kc o d i n gt h e o r ya n dm e s ht e c h n o l o g y i td i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t ya n da n a l y s i st h ek e y t e c h n o l o g ya n dt h eb a s i ct h e o r y , t r yt ob r i n go u tt h es y s t e mp e r f o r m a n c eg a i nf o rw i r e l e s sm e s h n e t w o r k ，w h i c hc o m e sf r o mu s i n gn e t w o r kc o d i n g i nt h i st h e s i s ，w ef i r s ts t u d yo nn e t w o r k c o d i n gs y s t e m a t i c a l l y , a n dt h e nw ef o c u so u re y e so nt h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r kc o d i n gi n w i r e l e s sm e s hn e t w o r k w es u m m a r i s ea n dd e s c r i b ei tf r o mf o u ra s p e c t ss u c ha s ：n e t w o r k c a p a c i t y , r e l i a b i l i t y , s e c u r i t y , a n do p t i m i z a t i o no fr o u t i n ga l g o r i t h m t h i st h e s i sa l s of o c u s e s o na w i r e l e s sn e t w o r kc o d i n gp r o t o c o lf o rw i r e l e s su n i c a s t c o p e ，a n di nt h i st h e s i sw es i m u l a t ei tt o e x p l o r ei t sa p p l i c a t i o np e r f o r m a n c ei nm e s hn e t w o r k s t h er e s u l t ss h o wt h a tc o p e c a ni m p r o v e b o t ho fn e t w o r kt h r o u g h p u ta n de n d - - t o e n dd e l a y f i n a l l y , s o m ea s p e c t sn e e d e dt ob es t u d i e df o rf u r t h e rr e s e a r c h a le p o i n t e do u t k e y w o r d s ：n e t w o r kc o d i n g ；w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ；n e t w o r ks e c u r i t y ；c o p e ； i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词表 a o d v 姆 d s r l c m m a c m c m p p m r n c n l o s p n c q d m a q o s u ，b a p w d s w i m a x w l a n w m n w s n 缩略词表 a dh o co n - d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r a c c e s sp o i n t d y n a m i cs o u r c er o u t i n g l i n e a r - c o d em u l t i c a s t m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m e s hc l i e n t m e s hp o r t a lp o i n t m e s hr o u t e r n e t w o r kc o d i n g n o n - l i n e o f - s i g h t p h y s i c a l - l a y e rn e t w o r kc o d i n g q u a d r a t u r ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s q u a l i t yo fs e r v i c e u l t r aw i d e b a n d w i r e l e s sa c c e s sp o i n t w i r e l e s sd i s t r i b u t i o ns y s t e m w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s l e s sl o c a la r e an e t w o r k l e s sm e s hn e t w o r k s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i i i 无线自组网按需 距离矢量路由协议 接入点 动态源路由协议 线性码组播 媒体接入控制 m e s h 客户节点 m e s h 网关节点 m e s h 路由器节点 网络编码 视线不可达 物理层网络编码 正交分割多址接入 服务质量保证 超宽带 无线访问点 无线分布式系统 无线城域网 无线局域网 无线网状网 无线传感器网络 南京邮电大学硕上研究生学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 缩略词表i i i 目录 第一章绪论1 1 1 无线m e s h 网络产生背景及其研究现状l 1 2 网络编码产生背景及其研究现状3 1 3 本文的研究意义及思路5 1 4 本文主要工作及章节安排5 第二章无线m e s h 网络基础7 2 1 无线m e s h 网络的体系结构7 2 1 1 节点类型7 2 1 2 体系结构8 2 1 3 无线m e s h 网络的特征1 0 2 2 无线m e s h 网络的路由协议1 l 2 2 1 路由协议设计及分类1 1 2 2 2 几种典型的路由协议1 3 2 3 网络编码在无线m e s h 网络中的适用性分析l7 2 4 本章小结18 第三章网络编码基础19 3 1 网络编码的概念与定义。1 9 3 1 1 网络编码的基本原理1 9 3 1 2 网络编码可达到最大流传输极限2 l 3 2 线性网络编码一2 3 3 2 1 线性网络编码的基本原理2 3 3 2 2 线性网络编码的实现方案2 5 3 3 随机网络编码3l 3 3 1 随机网络编码的提出3 l 3 3 2 随机网络编码方案3 1 3 3 3 随机网络编码性能评价3 1 3 4 物理层网络编码和应用层网络编码3 2 3 4 1 物理层网络编码3 2 3 4 2 应用层网络编码3 4 3 5 网络编码的优点3 5 3 5 1 增加网络容量3 5 3 5 2 节省网络带宽3 5 3 5 3 其他的好处3 6 3 6 本章小结3 7 第四章无线m e s h 网络中网络编码的应用3 8 4 1 容量性能分析3 8 4 2 可靠性分析。3 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 4 2 1 无线m e s h 网络的可靠性4 0 4 2 2 空间多样性与网络编码4 l 4 3 安全性分析4 3 4 3 1 实际网络编码方案4 4 4 3 2 安全问题的挑战4 6 4 4 基于网络编码的路由分析4 8 4 4 1 无线组播路由选择4 9 4 4 2 无线单播路由选择5 0 4 5 本章小结6 0 第五章c o p e 的仿真实现及其性能分析6 l 5 1 仿真环境及c o p e 实现6 l 5 1 1 机会侦听的实现6 l 5 1 2 机会编码的实现6 3 5 1 3 邻居节点状态学习的实现6 3 5 1 4 添加协议类及数据包6 4 5 1 5 网络基本参数6 4 5 2 性能指标6 5 5 3 仿真结果及分析6 5 5 3 1 固定拓扑且链路丢包率为零环境6 5 5 3 2 随机拓扑环境6 9 5 3 3 链路丢包率不为零的环境7 0 第六章总结与展望7 3 致谢7 4 攻读硕士学位期间发表的论文7 5 参考文献7 6 v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线m e s h 网络产生背景及其研究现状 近年来，通信领域的高速发展已经将人们带进了一个前所未有的信息化时代，人们对 网络通信的需求也在不断提高，希望不论何时、何地、与何人都能够进行快速、准确的通 信。在这种情况下，蜂窝移动通信、无线局域网( w i r e l e s sl o c a l 觚a n 娟r kw l a n ) 、 无线自组网( w i r e l e s s a dh o cn e t w o r k ) 、无线城域网( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，w i 脚) 等无线技术应运而生，并且得到了迅速的发展。 由于无线局域网具有较高的数据传输速率，在接入网领域得到了广泛的应用。但实际 应用中，接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 仍然是通过有线电缆接入到因特网中，不但需要安装 费用的支出，而且还降低了网络的灵活性，限制了网络拓扑改动以及网络的改造和升级。 并且，随着用户对带宽、可靠性需求的不断提高，标准的w l a n 网络通信模式的局限性 逐渐暴露出来。从网络结构上看，它是一种单一的星型网络，额外节点的加入意味着更多 的竞争和冲突，单个节点可享受的网络带宽逐渐降低；而且由于链路噪声和传输错误的影 响，有效传输速率还会随着传输距离的增加而减少。所以实际应用中，w l a n 所能覆盖的 范围较小，并且只能架设在有线网络的边缘。 无线多跳网络能够通过多个站点的中继传输来提供更大范围的无线网络覆盖，降低网 络部署成本。移动a dh o c 网络作为无线多跳网络的典型代表，最初是为军事用途而设计的， 它不依赖于任何固定基础设施，具有移动性、临时性、多跳性、动态性、自组织性、分布 性和开放性等特征，非常适用于战争、救援等特殊的紧急场景。受设备移动性以及处理能 力等限制，移动a dh o c 网络主要关心的是网络可用性问题。在民用通信领域中，用户渴望 获得高质量且稳定的因特网接入服务，关注于系统的吞吐量、带宽等服务质量问题，因此 人们把目光转向一种全新的网络结构一无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，w m n ) 【1 ，2 】。它是一项能够实现灵活组网的技术，其核心指导思想是让网络中的每个节点都可以 发送和接收信号，它的出现代表无线网络技术的又一大跨越，有着极为广阔的应用前景。 无线m e s h 网络是从移动a dh o c 网络中分离出来的，并承袭了部分w l a n 技术的新的网 络技术。严格地说，无线m e s h 网络是一种新型的宽带无线网络结构，种高容量、高速 率的分布式网络，与传统的无线网络有较大的差别。无线m e s h 网络中通常会有一个或多 个网关节点与因特网高速相连，对于网关节点信号覆盖之外的区域，普通的m e s h 网络节 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 点负责来往业务的中继或转发，因此每个节点都是骨干网络的一部分，并且随着网络中节 点数目的增加，网络的覆盖范围以及灵活性也会随之增加。 无线m e s h 网络可以看作是w l a n ( 单跳) 和移动a dh o c 网络( 多跳) 的融合。在网 络拓扑上，无线m e s h 网络与移动a dh o c 网络相似，但网络中大多数节点基本静止不移动， 不用电池作为动力，拓扑变化较小；在单跳接入上，无线m e s h 网络一般不是作为一个独 立的网络形态存在，而是因特网核心网的无线延伸，因此可以看成是一种特殊的w l a n 。 无线m e s h 网络由于发挥了两者的优势，具有较高的可靠性、较大的伸缩性、较强的自愈 性和较低的投资成本，必将成为下一代无线网络的技术热点。 当前，无线m e s h 网络受到国际标准化组织和业界的普遍关注。2 0 0 4 年1 月， i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网工作组正式专门成立了网格研究组( m e s hs t u d yg r o u p ) ，同年3 月 又成立了网格任务组( m e s ht a s kg r o u p ) 8 0 2 1 l s ，主要研究支持无线分布式系统( w i r e l e s s d i s t r i b u t i o ns y s t e m w d s ) 的协议，制定i e e e 8 0 2 1 1m e s h 网络功能的标准规格，以实现 w l a n 中多个无线接入点之间通过自动配置拓扑的方式组网，这标志着无线m e s h 网络技 术正式迈上了标准化道路。另外，其他工作组如i e e e 8 0 2 1 5 、8 0 2 1 6 和8 0 2 2 0 等也致力 于制定支持网状模式的多跳通信标准。业内普遍看好这种组网方式灵活的无线网络技术， 美国( ( t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) ) 杂志更是把它评选为2 0 0 4 年十大热门通信技术之- - 3 。 无线m e s h 网络的应用领域十分广泛，它可以为家庭、企业、学校、医院等用户提供 因特网的无线宽带接入服务，同时还可以应用于临时集群通信系统，为警察、消防、展览 会、交易会或灾难救援现场等提供应急通信服务，与其他无线技术( 如固定无线接入、 w l a n 、卫星接入、蜂窝网、传感器网络) 的进一步融合将使无线m e s h 网络具有更为广 阔的应用前景。下面简单介绍无线m e s h 网络的研究现状。 在国外，已经建立了大量的研究和开发无线m e s h 网络的实验平台。在学术研究领域： 2 0 0 4 年4 月，美国麻省理工学院的基于i e e e 8 0 2 1 l b 的m e s h 网络实验平台r o o f n e t ，证明 了基于8 0 2 1 1m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，媒体接入控制) 的多跳网络吞吐量较低的问 题f 4 】。该实验床由3 0 5 0 个站点组成，每个r o o f n e t 站点都是一台运行l i n u x 操作系统的 计算机，站点间可以自动寻找路由。该项目的开展对于无线m e s h 网络的研究有着重要的 影响；加利福尼亚通信与信息技术学院用t i5 4 1 0d s p 、外部闪存和s r a m 存储器建立了 基本w i f im a c 开发平台c a l r a d i o i ，其演化版本c a l r a d i o i i 能够接入8 0 2 1 l x 、8 0 2 1 6 、 等多个模块；乔治亚技术学院的宽带与无线网络实验室建立了一个无线m e s h 网的实验床， 叫做b w n m e s h ，它由1 5 个基于i e e e 8 0 2 1 l b g 的m e s h 路由器( m e s hr o u t e r , m r ) 组成。 他们目前的研究主要集中在传输层、m a c 层的自适应协议、路由协议以及跨层设计上。 2 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一荦绪论 当然，他们也在朝着集成异构无线网络的方向努力，其中包括下一代因特网、无线传感器 网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 和w i m a x 等；纽约州立大学石溪分校提出了用 i e e e 8 0 2 1 l b g 或i e e e 8 0 2 1 6 a 技术构建的多信道无线m e s h 体系结构h y a c i n t h 5 。该项目 主要研究接1 2 1 、信道分配以及路由选择的问题。h y a c i n t h 原型系统由l o 个站点构成，每个 站点上装备两个8 0 2 1 l a 网卡，可以同时使用两个互不干扰的信道，整个网络共使用5 个信 道。在工业产品实践方面：n o r t e l 公司推出的无线m e s h 网络产品是基于8 0 2 1 l a b g 的无 线访问点( w a p , w i r e l e s s a c c e s sp o i n t ) ，并有与之相配的无线网关路由器和网络管理系统。 该系统能够支持2 4 g h z 的接入链路和5 g h z 的主干传输链路，用户采用8 0 2 1 l b g 设备接 入w a p ，主干传输采用i e e e 8 0 2 1 l a 链路，避免了两者间的同频干扰；m e s h n e t w o r k s 公 司提出了正交分割多址接入( q u a d r a t u r ed i v i s i o nm u l t i p l ea e e e s s ，q d m a ) r a d i o 平台用以 推进网格技术的商业化，它采用多信道m a c 与物理层来克服移动系统中存在的多普勒频 移、瑞利( r a y l e i g h ) 衰落以及多径等问题，实现了包括先验式路由和反应式路由的混合 路由算法。m e s h n e t w o r k s 提供了种仅在软件上实现的解决方案，使得现有网络中的 8 0 2 1 l b 用户能工作在m e s h 网模式下；t r o p o sn e t w o r k s 使用了运行在i e e e 8 0 2 11 标准的 软硬件基础之上的三层网络操作系统t r o p o ss p h e r e ，利用c e l l u l a rw i f i 网络结构实现了架 构式m e s h 网络- - m e t r o m e s h 。t r o p o ss p h e r e 提供了通信、路由选择以及安全等功能，它使 用轻量级的控制协议来支持大量的w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 单元。其他公司也在开展无线 m e s h 网络的研究工作，这里不再一一赘述。 在国内，清华大学、北京大学、中国科学技术大学、北京邮电大学、西南交通大学等 高校的相关研究组也在近两年投入了力量进行无线m e s h 网络的研究，主要定位在网络管 理、部署实现、路由协议、m a c 协议、传输性能等方面，这些研究还处于起步阶段。目 前，西南交通大学的移动通信研究所做了较多理论方面的研究。国内企业界中，中兴科技 有限公司目前己经有相当数量的8 0 2 1 6 的产品研发出来，而深圳华为科技有限公司正在关 注i e e e 8 0 2 1 l s 标准的制定，并进行相关设备的研发。 1 2 网络编码产生背景及其研究现状 网络编码( n e t w o r kc o d i n g ，n c ) 是一种融合了编码和路由的信息传输技术，在传统 的存储一转发路由方式的基础上，通过允许对接收到的多个数据包进行编码信息融合来增 加单次传输的信息量，从而提高网络的整体性能。网络编码一经提出便引起了国际学术界 的广泛关注，其理论和应用已成为通信领域研究的新热点。网络编码在提高网络吞吐量、 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 改善负载均衡、减小传输延时、节省节点能耗、增强网络鲁棒性等方面均显示出其优越性， 可广泛应用于a dh o e l 网络【6 】、w s n 7 、p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 内容分发【8 】、分布式文件存储 【9 】和网络安全【1 0 】等领域。经过几年的发展，网络编码的理论研究已取得重要进展，而其 在应用基础和工程实践方面的研究正在全方位展开。下面简单介绍网络编码的发展概况。 2 0 0 0 年，a h l s w e d e 和香港中文大学的& w y e u n g 和n c a i 等人首次将网络和编码进 行结合，提出了网络编码的概念【l l ，1 2 ，1 3 1 ，其核心思想是在网络中参与传输的节点不是单 纯地执行存储转发功能，而是可对来自多条链路的数据信息进行一定的线性或非线性处 理( 即编码) ，然后发送出去，并保证接收节点可正确恢复出源节点所发送的信息，从而 达到通信网络的最大容量，最大限度地利用网络的现有资源。 l i 等人证明了使用线性网络编码已经能够达到网络多播容量 1 4 】。m e d a r d 等提出了网 络编码的代数框架 1 4 1 ，并证明了存在满足多播容量的线性时不变编码。随机网络编码【15 】 在2 0 0 3 年被提出，拓宽了网络编码的适用场景，使得网络编码不再局限于确定的网络拓 扑和集中式算法。c a i 在文献 1 3 d f l 禾i j 用分布式网络编码来纠正整个网络中的差错，并论述 了网络编码在安全方面的应用【1 6 】，为网络编码增加了新的应用领域。k o e t t o r 和f r a g o u l i 在网络编码的复杂度方面做出了研究，应用k o e t t o r 的算法【1 7 】，编码系数的符号集可以小 于l 0 9 2 ( m h + 1 ) ，而f r a g o u l i 1 8 将其缩小到2 所一7 4 + l 2 ( h 是广播流量，i t i 是接收节点 的数目) 。 目前，网络编码是国际信息论和网络理论领域关注的热点，很多学者已经在网络编码 的数学描述方法等方面做了大量工作，得到了有线网络中利用网络编码实现最大流传输的 若干判定定理。此外，还有一些学者利用网络编码的思想提出了一些方案用来进行网络优 化。p 2 p 内容分发协议一直是p 2 p 应用系统的研究热点，利用网络编码后，可以采用很简 单的机制来构造随机的网络构架，能够降低下载时间，节省带宽资源，提高系统的抗毁性 和扩展性。m e aw a n g 和b a o c h u nl i 在文献 8 】指出可在p 2 p 系统中采用随机线性码，并在 文献 1 9 1 提出了首个集成网络编码技术的p 2 p 流媒体协议的实际系统l a v a 。分布式文件 存储是网络编码应用的又一个热点。在文献【2 0 中，a c e d a n s k i 等学者研究了在多个存储资 源受限的节点间进行分布式文件存储的问题，并仿真证明了基于随机线性码的分布式存储 策略在无需全局文件服务器参与时，其性能接近集中式全局调度算法。 网络编码机制使信息更加分散，相当于将信息进行了隐藏，可以提高信息安全性。在 文献 2 l 】中，利用椭圆曲线算法给出了一种适用于网络编码的签名方案，可以检测被修改 的分组，还可以对数据的身份进行认证。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 无线网络的物理层广播特性和业务流的双向性非常适合使用网络编码。网络编码最近 的研究热点是在组播、广播场景中应用，特别是应用于w m n 2 2 、自组织( a dh o e ) 网络 2 3 】 及w s n 2 4 1 等多跳网络中，能够有效地降低成本。 总而言之，现在关于网络编码的研究是百家争鸣，各种方法和应用层出不穷，但是没 有一个统一的标准，而且多数是基于理论分析，试验仿真很少。到目前为止，网络编码应 用到实际网络中去还比较少。 1 3 本文的研究意义及思路 现阶段对无线m e s h 网络这种新型网络的研究工作正在逐步深入，对网络编码的研究 还处于理论研究阶段，而对网络编码技术在无线m e s h 网络中的应用研究还没有完全展开。 考虑在无线m e s h 网络中应用网络编码是一个全新的概念，在这方面进行研究不仅可以使 网络编码的相关科学理论更加丰富，挖掘其优点，促进网络编码理论的成熟和完善；同时， 还可以进一步提高无线m e s h 网络的性能。 目前，对无线网络环境中网络编码的研究主要集中在对网络吞吐量、能量消耗、算法 复杂度等的理论研究方面，也有不少文献研究了网络编码对无线网络中组播性能的改善。 无线网络的特性使得网络编码不仅能够应用于组播，而且也能为无线网络中的单播带来益 处。本文主要对网络编码在无线m e s h 网络中的应用进行研究，从网络容量、系统可靠性、 系统安全性和简化路由算法四个方面研究网络编码带来的益处，并对无线单播网络编码协 议c o p e 进行仿真实现和讨论。 1 4 本文主要工作及章节安排 本文在对网络编码的基本理论进行深入学习的基础上，对网络编码在无线m e s h 网络 中的应用进行了深入的研究，分别从网络容量、可靠性、安全性和优化路由算法四个方面 研究网络编码带来的益处。本文还重点研究了一个具体的无线单播网络编码机制c o p e ， 并分别在理想m e s h 网络环境、随机拓扑的m e s h 网络环境和链路丢包率不为零的m e s h 网 络环境下对其进行仿真。在充分仿真的基础上讨论c o p e 协议对无线m e s h 网络性能的提 高。本文的章节安排如下： 第一章绪论，首先简单介绍了本文研究内容所涉及的两个关键背景知识：无线m e s h 网络和网络编码，然后简单介绍了本文的研究意义及思路，最后对本文的主要内容以及论 文的结构安排作了说明。 5 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一 - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ i - 。_ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ - _ - _ - - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ - _ - - - _ - _ _ - _ _ - - _ _ - _ 一 第二章对无线m e s h 网络基础进行介绍，首先概述了无线m e s h 网络的节点组成 结构，并分析了无线m e s h 网络中的关键技术之路由技术，最后从无线m e s h 网 章绪论 和体系 络适于 引入网络编码的特点和无线m e s h 网络中引入网络编码技术后的优势两个方面对网络编码 在无线m e s h 网络中的适用性进行了分析和阐述。 第三章对网络编码的基本理论进行讨论，依次介绍线性网络编码、随机网络编码、物 理层网络编码和应用层网络编码的概念，最后总结网络编码的性能优点。 第四章研究了网络编码在无线m e s h 网络中的应用，并从网络容量、系统可靠性、系 统安全性和简化路由算法四个方面阐述网络编码对无线m e s h 网络系统性能的增益。本章 还对现有几个典型协议进行了分析、归纳和总结，包括仿真所使用的c o p e 协议。 第五章对当前无线单播网络编码c o p e 进行了深入研究，利用仿真平台n s 2 对c o p e 进行了仿真实现，并在充分仿真的基础上根据仿真结果分析c o p e 在理想m e s h 网络环境 下、随机拓扑m e s h 网络环境下和丢包率不为零的m e s h 网络环境下对系统性能的增益。 第六章对本文的工作进行总结，并对需要进一步研究的工作进行了展望。 6 第二章无线m e s h 网络基础 无线m e s h 网络( 删) 是一种新型的宽带无线网络，即一种高容量、高速率的分布 式网络。无线m e s h 网络是一种多点到多点的高容量高速率无线多跳网络，每个用户节点 在收发业务的同时，可以转发来自其他用户节点的信息，与移动a dh o e 网络具有类似的网 络拓扑结构，具有一定的自配置、自组织与自管理特性。但无线m e s h 网络通常由若干节 点提供基站的功能，使整个网络和骨干网连接，从而解决无线接入“最后一英里”的瓶颈问 题，且节点也可以不经过基站与网络中的任意其他节点进行通信。有一位美国经济学家声 言：m e s h 网络和智能天线、a dh o e 网络以及超宽带技术一起，正在成为无线通信领域中 压倒一切的技术【2 5 。近几年来，无线m e s h 技术取得了飞速发展，并获得了众多成功的商 业应用，成为国内外的研究的一个热点。 2 1 无线m e s h 网络的体系结构 2 1 1 节点类型 无线m e s h 网络中各节点间通过多跳无线连接形成网状拓扑，其典型结构如图2 1 所 示。一般来讲，节点按功能来分可分为m e s h 路由器节点、m e s h 客户节点和m e s h 网关节 点三类。但根据网络的具体配置不同，无线m e s h 网络不一定包含以上所有类型的节点。 m e s h 路由器节点( m e s hr o u t e r ，m r ) 是无线m e s h 网络中具有路由选择功能的网络 节点，它通常具有一个或多个无线接口，构成无线m e s h 网络的主干网络。作为路由器， 它为其覆盖范围内的无线终端设备提供分组路由选择和转发，转发分组信息的路由选择是 根据当时可以使用的节点配置临时决定的，这就是所谓的实现动态路由选择。作为接入点， m e s h 路由器能将无线网络接入核心网，并且将各个无线客户端连接到一起，从而使得具有 无线接口的终端设备可以通过m e s h 路由器共享核心网络的资源。除此之外，m e s h 路由器 节点还有网管功能，可以实现对网络的控制和管理。由于利用了多跳通信方式，m e s h 路由 器可以使用比传统无线路由器低得多的功率，达到相同的覆盖范围。通常来说m e s h 路由 器节点位置固定不动，可安装在家中的墙上、马路边的路灯上或建筑屋顶上，方便外接电 源供电，没有能耗限制。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线m e s h 网络基础 囤 w i f i 网络 一、 、一、m c ：m c s h 客户节点 。 i n t e r n e t j 蒿：蔷磊罱荚虢 。、卜一八一 d 为编码符号域的大小。边上传递的信息来自所 有源节点，同时将信息传到任何一个接收节点去。满足这样要求的边的最大数量是1 ，即1 ， 是随机选取编码系数的链路的个数。 由此可见，网络传输的失败率与网络的规模成反比，传输失败率与编码之后的码字长 度呈指数关系减少。这样只要根据网络的大小和信息多少，估算出传播需要的中间边的数 量，就可以选择合适的字母表大小，在网络的稳定性与网络传播冗余量之间进行折中。对 于线性相关的网络，这种算法也不需要源节点知道其他节点的信息。与传统路由方法相比， 对于源节点的增加或减少和网络拓扑变化等问题，随机网络编码更加灵活。 随机网络编码是一种分布式的网络编码方案。在进行网络编码时，不需要知道整个网 络的拓扑结构，就可以进行编码。编码符号域足够大时，可保证接收节点以很大的概率恢 复出信源的信息。当符号域i f l = 2 1 6 时，理论上任一接收节点可至少以概率0 9 9 6 成功获取 信源发送的信息 3 7 】。在采用随机网络编码进行网络组播时，多个信源可以是线性无关的， 也可以是线性相关的。对于线性相关的信源，随机网络编码可以起到压缩信源信息的作用。 此外，随机网络编码可适用于随机的网络结构。对于网络节点和链路时变的网络，随机网 络编码可以利用整个网络的剩余容量来获得网络的最佳容量，提高网络多播的鲁棒性。