网络编码理论与技术.ppt

1、网络编码理论与技术杨以贤主编国防工业出版社2009年8月第一版。它包含了八篇论文：1基于网络编码和定向天线的有效广播；2网络编码理论的研究进展；3融合网络编码理论的组播交换结构；4可伸缩视频流的优化网络传输；5网络纠错码理论及其新进展；6网络编码在合作分散化中的应用；7 .针对拜占庭攻击的安全网络编码研究综述；8基于网络编码的无线网状网络路由协调讨论及应用：1 .合肥工业大学数学系，王青山，基于网络编码和定向天线的有效广播；2.网络编码理论的研究进展。网络编码的基本思想是允许网络中间节点参与编码，具有达到最大容量的优势。划时代的意义在于颠覆了商品不能再被压缩的经典结论，指出网络信息流可以被压缩

2、，从而进一步提高网络吞吐量。也被称为网络信息流理论。网络编码的优势：1 .提高网络吞吐量。网络编码比路由具有更高的吞吐量。2.改善网络负载平衡。这里有一个图表，很好地说明了这个问题。3.提高带宽利用率。4.节省无线网络节点的能耗。网络编码的缺点1。复杂性增加了。中间节点参与编码和解码，这与存储转发路由相比增加了额外的CPU计算负担。接收器解码的复杂度是O(k3)，而K是传输的消息的数量，因为为了实现编码同步，有必要增加缓存消耗。此外，无论是解码还是缓存，都需要延长信宿解码的延迟，这对实时应用有很大影响。2.安全问题很突出。2.1网络编码-线性网络编码非循环网络中的线性多播表明，所有最大流量大于

3、或等于源消息数的节点都可以通过网络编码接收所有源消息；线性广播表明每个节点可以根据自己的接入带宽接收相应的消息，相当于多速率接收；线性扩散意味着每个节点不仅以多种速率接收消息，而且确保目的节点以互补的形式接收消息。一般线性网络编码要求每个需要线性独立性的地方必须是线性独立的，以确保最有效的传输。2.2环形网络中的网络编码-卷积网络编码卷积多播、卷积广播、卷积扩散、卷积网络编码、4网络编码和路由之间的比较以及优于路由的统一网络编码性能是有条件的。分类和比较视角：拓扑学：有向图是无环图，有向图有环图和无向图。传输方式：单播、广播、组播和多源组播。会话数：单个会话和多个会话。层：物理层、网络层和应用

4、层(覆盖层)。基于网络层比较的有向无环图有向无环图在应用层或覆盖层，单播用于实现组播和广播，应用层单播用于间接实现IP层的组播和广播。因为它实际上是单播，所以可以归因于单会话单播情况。物理层网络编码提出了多跳网络环境下的另一种物理层网络编码(PLNC)，它充分利用了无线信道的广播特性，引入了合适的机制，并利用电磁波在物理层同时到达的叠加特性进行类似网络层的编码。与传输网络编码和无网络编码相比，PLNC的吞吐量可提高50%-100%。主要思想是为确定的编码和调制方案找到相应的解调标准，从而将物理层电磁波的叠加隐藏到网络层比特流的叠加编码中。S1S3bS1S3S1S3三节点双向线性无线网络只需要两

5、个时隙就可以完成S1和S3之间的双向端节点数据交换，而传统的网络编码和非网络编码方案只需要三个和四个时隙就可以完成交换任务5.降低网络编码复杂度网络编码需要中间节点参与编码和解码。与路由相比，节点需要额外的计算和存储要求，这增加了节点复杂性并引入了大的时延。如何在保持网络编码在提高网络吞吐量方面优势的同时降低网络编码复杂度(最小成本网络编码问题)是网络编码研究的关键问题之一。在保证大吞吐量和高解码成功率的前提下，代价定义：参与网络编码的节点数最小；网络编码的操作数最小；参与网络编码的数据包数量最小；消耗的资源最少；有限域的大小；基于图论优化的方法和基于线性规划的方法(NUM)是指经济学中描述消

6、费者再次接受服务时所获得的收益的效用思想，并将网络节点对网络提供的服务的满意度定义为网络的效用。对偶分解法通常用于将求解全局优化的目标转化为可在每个节点上执行的分布式算法，易于部署和实现。网络效用：组播吞吐量的效用是通过网络编码减去成本得到的，然后用基于效用最大化的方法求解。3多播交换和路由的基本目的是相同的，即试图将信息从一个部分传送到另一个部分。但是，网络的路由层次较大，在网络中，两个节点的信息交换可以相隔很大的距离。交换通常指在网络节点上的信息交换。此外，路由通常需要其他网络节点的协作，这是基于路由协议的，而交换只是一个单一的功能设备，它基于转发表、交换结构和调度算法。单播和多播吞吐量和

7、加速阻塞和输出争用：共享存储排队输出排队输入排队虚拟输出排队组合输入和输出排队交叉排队、流、具有公共源和接收集的数据包流。优化可伸缩视频流网络传输组播技术可以有效减轻网络通信负担，避免不必要的资源浪费。不管有多少目的地址，在整个网络的任何一条链路上只传输一个数据包。在组播环境中，服务器只需要发送一个流，然后网络中的路由器或交换机同时复制出N个流。在传统的单速率组播中，发送方根据接收方的最慢速率选择统一的速率发送数据。这使得所有接收器能够以相同的速率接收数据，而不管它们的接收能力如何。单速率组播的优点是能够快速响应网络拥塞，精确控制发送速率。然而，在大规模异构网络中，由于单速率组播以最慢的接收速

8、率发送数据，这对带宽较高的接收方显然是不公平的。提高发送速率可以提高快速接收器的带宽利用率，但可能会影响慢速接收器的正常接收。异质性更严重。为了解决网络异构问题，多速率组播技术应运而生。信息论证明，利用网络编码技术，信息源的发送速率可以达到所有组播成员的最大流/最小割的最小值。如何设计分层组播的传输结构，实现每层中每个组成员的速率和路由的优化分配。简而言之，包调度过程是节点根据特定的调度原则或算法来安排到达队列的包的输出序列。传统的分组调度算法包括基于排序的优先级和基于帧的优先级，这两种算法都基于公平调度原则。公平原则要求节点必须公平地为每个流提供服务，并且链路带宽必须在不同的流之间公平分配。

9、网络纠错码的理论与新发展网络编码可以分为两类：经典网络编码和随机网络编码。在通信网络中，如果允许网络节点对其输入信息进行线性编码，网络中的单播/组播信息传输可以达到著名的最大流会话。在经典的网络编码中，局部编码核和相应的全局编码核是预先给定的，信息数据从发送点作为向量发送；中间节点根据给定的局部编码检查对多个接收向量进行线性编码；当接收点接收到足够多的向量时，通过剔除全局编码核来求解原始数据向量。随机网络编码事先没有给定的全局编码核：信息向量(即数据包)从发送点到达中间节点，中间节点随机选择一个局部编码核对输入向量进行线性编码，局部编码核计算相应的全局编码核，然后将相应的全局编码核附加到每个数

10、据包上进行传输。当网络中没有错误时，接收点是：在接收到足够的数据包后，提取全局编码核心，并由它来解决原始数据包。什么是本地编码内核？什么是全球编码核心？网络节点编码信息的系数是编码的核心！网络编码在协作分散中的应用无线信道的多径衰落特性是阻碍信道容量增加、影响无线通信传输速率和质量的一个重要瓶颈。如何克服多径效应已经成为提供通信质量需要解决的首要问题。分集技术是抵抗多径衰落的有效方法，常用的分集方法主要包括时间分集和频分集合空间分集。空间分集技术从不同位置(天线)发送信号，并在接收端获得经过独立衰落的多个信号副本，可以有效消除多径衰落的影响。空间分集不需要占用额外的时间和频带资源，并且可以与其

11、他分集方法相结合，已经得到广泛关注。近年来，多输入多输出(MIMO)天线技术被提出，它通过在接收端和发送端同时设置多个天线来形成MIMO信道结构，从而将传统通信系统中存在的多径因素转化为对用户通信性能有利的因素，充分利用空间资源，大大提高信道容量。提出了一种新的空间分集技术协作分集。单天线移动终端也实现了空间分集。基本思想：在多用户环境中，每个单天线移动终端都有一个或多个伙伴，每个终端在发送自己的信息时都帮助其他伙伴发送信息。这样，在信息传输的过程中，每个终端利用自己和伙伴的空间信道，从而获得一定的空间分集增益。合作分集本质上是指通过合作伙伴的天线和自己的天线来构造多个发射天线，从而获得空间分

12、集增益。协作分集的思想来源于中继通信，但不同于中继通信。在中继系统中，中继节点的作用是形成主信道，该主信道简单地存在于中继系统中并且没有要传输的信息。传统中继没有分集功能，单天线用户可以通过协作获得分集增益。分类：双跳合作和多跳合作码分多址，时分多址，FDMA。放大中继模式、解码中继模式和编码协作模式编码协作是协作技术与信道编码技术相结合的传输方式。基本思想是对正确解决的伙伴信号进行重新编码。这相当于将空间分集与代码分集相结合。无线网络中网络编码的一个潜在研究方向是基于网络编码的协作通信，它使无线网络中的中继节点具有编码功能。网络编码算法集中算法、分布式算法、线性和随机编码算法。频率选择性衰落信道中分集性能的研究。针对拜占庭攻击的安全网络编码研究综述在网络通信中，根据攻击者的攻击方式，攻击主要分为以下两种类型：窃听(被动攻击)和拜占庭攻击(主动攻击)。窃听，攻击者只是窃听，什么也不做。其目的是减少通过窃听传输给接收者的信息的不确定性，或者解码信息的