网络编码技术

网络编码技术（精选十篇）

网络编码技术 篇1

1 网络信息论和网络编码的发展

在这个信息爆炸的时代, 人们对通信的研究已经不再是局限于单一的或者一对多的上面, 而是把提升整个无线网络的整体性能作为研究重点。无线Mesh网络、无线Ad-hoc网络及无线传感器网络的出现, 可以对整个网络进行无线部署, 使其具备更高的灵活性和自主管理性。随着网络编码理论被正式提出, 且能够在短时间内得到广泛的关注。网络编码作为网络信息论当中的一个重要部分, 它的提出改变了传统网络中对数据单纯的“存储转发”传输方式。在中间节点的时候就将数据编码转发, 这样能够将中间节点的计算性能得到更充分的利用。网络编码是通过利用通信节点中相对廉价的计算资源来改善网络整体特性。图1中展示了网络编码理论与各个领域之间的有着紧密联系。

网络编码理论中明确的指出了传统实物流和信息流之间的重要差异, 并证明在单源多播网络中, 只有允许网络中间节点对需要转发的数据进行编码操作, 才能达到最大流最小割所界定的网络容量上限, 即可以实现最大组播容量。如图2所示, 如果在一个没有传延迟和处理延迟的蝶形网络中, 每条边上数字表示该信道的通信能力, 即每单位时间内传输1个单位数据。源节点需要组播两个单位的信息a、b给t1和t2。根据最大流最小割定理, S同时给t1和t2发送的组播容量则是2个单位信息。如果在节点3到节点4之间的链路上出现了信息的拥塞, 节点3不能一次将a和b同时发送出去。如图2所示, 引入网络编码后, 节点3则可以将a、b按位异或编码发送, 则可以在一个单位时间内传输融合2个单位信息的数据, 而t1和t2在接收到这段编码包后, 则可以与原始数据包再次异或, 成功解码获取另一部分原始数据信息, 从而实现最大组播容量。

2 网络编码技术

线性网络编码是网络编码算法中的一个重要部分, 其主要操作过程是将数据在有限域上进行线性组合, 其算法复杂度较低, 有利于中间节点或者目的节点对数据进行编解码操作。

2.1 编码过程

假设每个数据包有L个比特组成, 如果数据不足L比特时在末尾则用0进行填补。可以把s个连续的比特视作在有限域F2上的一个符号, 则每个数据包就是L/s维的向量。使用线性网络编码, 节点中输出的数据包是对原始数据包的线性组合, 即在有限域F2上进行相加和相乘的操作。

假设P1, P2, …, Pn是由一个或多个节点发出的n个原始数据包。在线性网络编码中, 每个数据包都附有编码系数向量用该编码向量的组合以下形式的编码包X:

数据包中的每个符号都是需要进行编码, 即:

其中X (k) 和Pi (k) 分别是X和Pi中的第k个符号。编码的系数将会存储在数据包中, 目的节点用其进行解码。如公式 (2) 所示中, 编码节点3使用的编码有限域为F2={0, 1}, 编码系数则都为1, 只需进行按位异或就可以。

2.2 解码过程

目的节点接收到m个编码数据包, 分别为分别为其对应的编码系数向量。为了恢复出原始数据, 节点需要求解以下系统方程:

其中Pi是原始数据包。此时需要m≥n, 并且矩阵gj→中有n个以上是线性无关的, 就可以恢复出原始数据包。所以, 该方法则要求网络中传输到终端节点至少n个线性无关的编码包。通过独立的分布式算法, 使每个节点所产生随机的编码系数, 并生成线性无关的编码包, 从而达到提升目的节点的解码概率。

在无线网络中, 网络编码技术发挥了重要的作用。网络编码是需要编码节点和解码节点共同合作才能完成。网络编码的主要编码方法是线性网络编码, 在无线网络当中用线性编码方法可以有效的降低算法复杂度。网络编码改变了传统网络中间节点上“存储转发”的模式, 成为了二十一世纪通信领域中重要的研究方向之一。

参考文献

[1]周伟伟.线性网络编码研究[J].通信技术, 2008, 41 (2) :97-99.

[2]李令雄, 龙冬阳.非线性网络编码实例研究[J].计算机科学, 2008, 35 (7) :67-69.

[3]黄政, 王新.网络编码中的优化问题研究[J].软件学报, 2009, 20 (5) :1349-1361.

网络编码知识小结 篇2

[1]上角标1代表 论文 <网络编码的研究进展> 杨林 郑刚等

[2]上角标2代表 论文 <网络编码研究综述> 陶少国等

网络编码研究综述

万里 基本概念

起源：R.Alshwede的蝴蝶网络模型定义：网络编码是一种融合编码和路由的信息交换技术，在传统存储转发的路由方法基础上，通过允许对接收的多个数据包进行编码信息融合，增加单次传输的信息量，提高网络整体性[1]能。

[1]本质：利用节点的计算能力提高链路带宽的利用率。核心思想：具备编码条件的网络节点对接收到的信息进行编码，然后传输给下一级的网络节点，收到信息的下一级节点如果具备编码条件，又对其接受的信息按照同样的方式进行传输与处理，如此反复，直到所有经过处理后的信息汇聚到信宿节点为止。最后，在信宿节点，[2]通过译码，即可译出信源发送的原始信息。主要优缺点： 优点： 提升网络吞吐量 2 均衡网络负载

从作者的例子[Fig.2]可以看出，虽然传输链路增加了，但是每条链路上传输的信息更均衡，解决了网络拥塞问题。3 提高带宽利用率

同2，虽然传输链路增多了，但是每条链路上的信息减少了（均衡了），总体是减少了网络带宽，提高了网络带宽利用率。缺点：

虽然网络编码优点突出, 但运用网络编码增加了计算的复杂性, 而且网路节点需要缓存足够的输入信息, 因此编码操作增加了传输时延和节点的额外的I/ O、CPU消耗。统计数据表明, 即使应用最有效的随机网络编码，其编码和译码的时间也不容忽视。此外, 应用网络编码还存在同步问题, 这主要是由于信宿节点必须等待收到足够的编码信息, 才能开始

[2]译码。同步问题给在实时系统中应用网络编码提出了挑战。

[2] 2 原理与数学模型

2.1网络编码分类

网络编码按照节点输出和输入的关系可划分为线性网络编码和非线性网络编码 网络编码按照编码系数生成的随机性可划分为随机网络编码和确定性网络编码（通过算[1] 法算出系数）2.2线性网络编码

目前的网络编码研究均局限于有限域中的线性网络编码。2.3几个基本概念 信息流：信源发送的信息，链路传输的信息以及信宿接收到的信息，均以向量形式取

[2]之于有限域。称其为信息流。本地编码向量:将节点上的信息流作为节点输入链路上传输信息的线性组合。[链路的消息流与输入链路的消息流的映射关系] 3 全局编码向量:将信源发送信息表示成信息流向量，将链路上传输的信息流当做信源向量的信息流向量各元素的线性组合，该线性组合系数构成的向量就是该链路的全局编码向量。[链路的消息流与信源的信息流的映射关系] 备注：如果忘记 可以参考论文2中的Fig.3 2.4数学模型

[2] 3网络编码的构造方法

网络编码的KEY：求得每条链路对应的编码向量 3.1集中式编码方法 3.1.1 指数时间算法

设N1,N2,...,Nn表示所有编码链路对应的编码向量, 则必定存在函数关系: p = f(N1,N2,..,Nn),并称使p=0的点(N1,N2 , ⋯,Nn)的集合称为被“函数p 分割出来的代数簇”,[2]因而算法的目标就是求得一个不位于“函数p分割出来的代数簇”上的点(p0)。3.1.2 多项式时间算法

3.1.3其他算法 1引入通用LCM（贪婪算法与启发式算法）可实现多速率的网络编码

但是由于计算量大，实现过程复杂，不实用（作为多速率网络编码的探索，具有很重要的意义）

2线性多播、线性广播和线性扩散：线性扩散是线性广播的特例, 线性广播是线性多播的特例, 反之不成立.线性广播说明了通过增加信源发送的信息流向量的维数, 可以提升传输

[2]速率;线性扩散能保证信源节点以互补的形式发送信息流。

[1]3冲突图法、矩阵满秩法、图染色法等几种构造方法。3.2分布式编码方法 3.2.1确定系数构造法

其核心思想是将网络拓扑分解成多个子树，并保证每个子树的编码矢量属于其父树编码

[1]矢量的扩张空间，且任意两个子树的共有信宿的编码矢量均线性无关。3.2.2随机系数网络编码

随机网络编码(简称RNC),该方法基于一种随机选择编码向量的策略:对于除了信宿节点外的所有中间节点,只要在一个足够大的有限域上随机选择它们输入链路到输出链路的映射,而且各节点映射关系的选取是相互独立的,就能以较高概率使各个信宿节点对应的系统转移矩阵满秩,即各信宿节点能以较高的概率成功译码。与时间多项式算法总能保证成功译码不同, 在RNC 中,虽然不能确保最终形成的系统转移矩阵M满秩, 但由于是随机选择编码向量, 其复杂性与确定性算法相比要低得多, 更易于实现, 而且99%以上的译码成功率在一般情况也足以满足需求.因此,随机网络编码具有重要的理论价值和应用价值，得到了广泛的关注和

[2]应用, 如微软提出的P2P文件共享系统Avalanche便是基于RNC的典型应用。3.3集中式与分布式的比较

集中式：需要了解全局拓扑以分配编码系数，可扩展性差。

确定分布式：掌握局部拓扑即可对入编信息进行编码，但需要通信开销。

[1]随机网络编码：实用性强，需要较大的字母表，存在解码失败概率。

4性能参考以及优化

网络编码的主要性能指标包括字母表、编解码速度和编码增益等．其中，字母表是最重要的性能指标，决定了网络编码解的存在性、编解码复杂度、延时以及存储开销．编解码速度反映了编解码操作的计算复杂度．编码增益则表征网络带宽的利用效率．网络编码设计的一个重要目标就是尽可能使用小的字母表和低复杂度的编解码操作来提高网络吞吐量或减[1]小延时．

4.1网络编码复杂性的影响因素分析 4.1.1编码构造方法

网络编码的核心，目标是寻找复杂性低的算法（分布式与集中式的共同目标）。4.1.2编码操作数

可从三个角度分析：信息分组、编码链路和编码节点, 其中从信息分组的角度减少其操作数目是降低编码操作复杂性最理想的方式, 但是分析的难度较大, 一般均从减少编码链

[2]路或者节点的数目来考虑。4.1.3有限域的大小

保证足够的译码成功率的前提下（有限域过小，译码成功率降低）, 应尽量减少有限域的大小。

4.2基于简单网络的解决方案

将普通网络转化为某种易于表达, 且各网络节点具有共同特征的“简单网络”将普通网络转化为简单网络, 其网络拓扑变得十分简单,但一个不容忽视的问题就是: 简单网络的规模(节点数)比原普通网络却膨胀了许多, 也就是说网络编码的代价被放大了,“简单网络”的最小代价并不等于原网络的最小代价.但是, 将网络“简化”处理的思想在方法论上具有

[2]重要的借鉴意义,为最小代价的网络编码提供了研究方向。4.3基于信息流

信息流分解的基本原理是按照网络中信息流的特征和共性, 将原网络节点划分为一系列的子树图, 这些子树图中的节点拥有相同的编码向量, 子树里面的节点的拓扑结构不影

[2]响整个系统的多播传输, 因此每个子树可以当作一个节点来处理。4.4基于最小代价函数的解决方案

借鉴路由多播的最小代价树，将网络编码转化为线性规划问题。

5应用与研究趋势

5.1应用领域

[1]Ad Hoe网络、传感器网络、P2P内容分发、分布式文件存储和网络安全等领域。

[2]无线网络、应用层多播和P2P文件共享、传输的差错控制。5.2研究趋势

5.2.1多源网络编码

对于信源数目大于2的网络编码多播，研究不够充分，但多源多播广泛存在。5.2.2非组播网络

对于非组播网络的网络编码理论研究。5.2.3非线性网络编码

非线性研究尚未起步，性能还不可知，比线性网络编码要求与难度更高。5.2.4具体实现

网络编码的具体实现需要考虑诸多因素，也是有意义的研究方向。5.2.5与其他领域的融合

与信源编码的联合设计与优化、与信道编码和调制技术的结合、与多描述分层编码的结合。

5.2.6降低网络编码复杂度

降低网络编码复杂度，实现最小代价网络编码。5.2.7安全方面

网络编码基础技术及发展前景 篇3

关键词安全网络编码;容量;编码安全

中图分类号TN919文献标识码A文章编号1673-9671-(2009)121-0015-01

1网络编码技术背景

1.1网络编码技术研究意义及背景

在1956年,信息论的创立者Shannon在其发表的一篇重要论文“A Note on the Maximum Flow Through a Network”中明确指出:通信网络端对端的最大信息流,是由网络有向图模型的最小割决定。但由于传统路由器的存储转发模式难以实现多播的最大流容量,使得Shannon提出的这一理论上限在很长时间里显得遥不可及。R. Ahlswede、蔡宁(西电教授)、李硕彦(香港中文大学教授,北邮“111”基地海外学术大师)和杨伟豪(香港中文大学教授,北邮兼职教授)等在2000年发表的论文“Network Information Flow”中创造性地提出了“网络编码”新概念。网络编码理论的划时代意义在于,推翻了独立的比特不能再被压缩的经典结论,指出网络信息流可以被压缩。由此,一种新的编码算法----网络编码技术诞生了,不需要特殊的支持设备与系统,在现有的设备上(诸如路由器、无线系统或者专用的网络编码器等)即可进行网络编码技术的操作和执行,并且它的网络吞吐量可以在现有技术基础上翻一倍,在网络的安全性能方面也大大提高。

1.2网络编码技术国内外研究现状及动态分析

目前,国内网络编码的研究还很局限,成果不突出。停留在理论方面。华中科技大学黄佳庆教授等以“网络编码理论研究进展”为题,对网络编码研究中的主要理论进展进行了综述:归纳了网络编码的优点和缺点;对无环网络中的线性网络编码和有环网络中的卷积网络编码的相关性质进行了介绍;论述了多种网络编码构造算法(包括集中式多项式复杂度算法(线性网络流LIF算法)、分布式多项式复杂度算法(随机网络编码)、多速率码构造算法等);展望了网络编码的若干发展方向和公开问题。

惠普公司认为多播就是网络编码未来趋势所在。所谓多播,就是同时把信息传送给一组目标节点,按照和传统路由架构同样的方式,网络编码就能大大改善网络的效率。传统路由必须生成多份拷贝,用这些拷贝去连接多个目标节点来传送信息才能实现多播,而网络编码的多播则非常轻松,它可以通过xor痕迹处理,大大减轻多份传输的压力。麻省理工学院的研究表明,网络编码可以在无线网络的吞吐量上获得“数倍的提升”。

而在麻省理工学院一幢三层建筑内的34个节点环境中,利用UDP流量进行的一次测试更是出现了4倍的流量增加。

在无线系统中应用网络编码技术的代表是英特尔公司,在竞争日趋激烈的世界通迅产品市场上希望籍此提高其无线产品的地位和优势。在这方面的研究中,多跳中继(Multiho relay)-由WiMAX基站和中继基站完成,可以从网络编码获得益处。在此应用中,网络编码要比简单的双向中继增加25%到50%的吞吐量。

2网络编码技术及原理

为了解决大容量文件传输和多媒体的广泛应用等这样的问题,提出对网络上传输的数据增加可管理的能力——进行二次编码,即网络编码(network coding)。通过对数据的编码,文件被分成一定大小的文件单元--信息包。当需要接收该信息包时,先接收到该文件的所有信息包的编码数据,信息包编码数据包括该文件的分割的有关信息(如每个信息包的大小、信息包的数量、每个信息包的数据源列表)。当完成接收所有的文件信息包时,再按照原来的顺序重新组装成原文件以供本地使用,只要该节点不脱离链接,就可以提供全部的文件信息包的服务。这就是利用网络编码来传输文件的对等式网路(Peer-to-Peer)的系统架构,提供以转送为基础的实时性分布式的服务方式,以降低资料传输的带宽需求和影音播放较低的延迟性。

网络编码便可有效地允许目标节点接收多个信息而不必增加它所能接收数据包的数量。

在一个大的分布式对等系统中,设计将信息包的网络编码达到使客户减到最少下载时间的方案是非常困难。 但是不可能依赖中央调度程序来完成,这就要求节点来根据实际的网络链接情况提供可链接的数据源表。并对于自己每个信息包的实际下载过程做标记,即该增加一个链接的网络开销值。根据下载速度对链接分级,转化为对接收到的该信息包链接的网络开销值进行运算。

3编码效率

网络编码方案可分为线性和非线性两种,其中线性方法的编码和解码都相对简单。在有向网络中,如果一个网络编码问题有解,则一定有线性解。

相关的研究人员如Medard、Effro和Yeung等人已经在建立网络编码的数学描述方法等方面作了大量的工作,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。但无论是理论上还是实践上,网络编码技术在无线领域的应用都有待于创新,网络编码在无线网络中的应用还必须面对很多问题,这是无线网络自身的特性决定的。

4网络编码信息安全

信息传输的过程中可能遭到窃听,导致通信双方的隐私泄露。所以,在保障可靠传输的基础上,还需要考虑如何利用网络编码来保护消息传输的安全。

网络编码不仅可以提高节点间传输效率和网络吞吐量,在网络的安全性能上也有很大的作用,这也是它倍受关注且快速发展的更深层的原因。由于网络编码具有信息的分散性的特点,使其被集中破译的可能性大大减少,同时其本身的编译码特性也增加了信息破译难度,在安全性能上就比传统程序有了很大的提高;对确定性编码算法来说,由于传输过程中将涉及较多的节点数目,数据安全性时刻受到威胁。因此编码算法的设计中也需要考虑系统的安全性能,安全性能优良的信息编码技术可以大大减轻传输过程中各节点、中继系统的安全性压力。因此针对不同的系统应选用合适的编码算法,以提高网络的整体安全性能,这对于无线通信更具有非常重要的意义。

5结语

网络编码作为一种全新的数字技术,其研究已经取得了可喜的成绩。在算法理论上和应用技术上都有了很大的进步,对比传统的网络中继技术具有明显的优势和良好的发展前景,但在无线领域的发展还有待提高。同时对网络系统的安全设计,网络编码技术更应该发挥其本身优势,使网络系统数据传输更快捷、有效和安全。

参考文献

[1]网络编码理论与技术(代数交换与网络编码).

[2]陶少国,黄佳庆,杨宗凯,等.网络编码研究综述[J].小型微型计算机系统,2008,4.

[3]杨林,郑刚,胡晓惠.网络编码的研究进展[J].计算机研究与发展,2008,3.

浅谈网络编码技术 篇4

2000年, 香港中文大学的R.W.Yeung和N.Cai首次提出了网络编码, 其核心思想是在网络中参与传输的节点, 其输出边上传输的数据可以通过该点多条输入边上传输的数据的某种线性或非线性变换得到, 而参与传输的所有节点对数据的变换应保证最终所有接收节点可以正确恢复出信源所发送的信息。

网络编码的工作原理是把不同的信息转化成位数更小的“痕迹”, 然后在目标节点进行演绎还原, 这样就不必反复传输或者复制全部信息了。痕迹可以在多个中间节点间的多条路径上反复传递, 然后再被送往最终的目的端点。它不需要额外的容量和路由—只需把信息的痕迹转换成位流即可, 而这种转换现有的网络基础设施是可以支持的。

2 网络编码原理

网络信息流的最大流最小割定理:对于已知的网络流图, 信源S到信宿T的流量的最大值w等于其最小割的容量[1], 即maxflow (S, T) =min C (S, T) 。

对于只有一个信宿的网络, 依靠路由就可以获得最大流。下面看一个具有两个信宿的多播网络, 如何获得网络多播的最大流, 通信网络如图1所示。

这是一个单信源两信宿的网络, 假设每条链路无时延无差错, 其中S是源节点, Y和Z是目的节点。图1 (a) 给出了每条边的信息速率均为1bit/每单位时间。由最大流最小割定理容易得出从信源到目的节点的最大流均为2。由此得到信源S可以同时发送2bit信息给t1和t2。图1 (b) 给出了一种编码方案, 可以看出, 为了从信源节点S同时传输2bit信息b1b2到目的节点, 则在中间节点3处, 必须采用网络编码, 使输出边 (3, 4) 传输比特的线性组合为b1+b2 (模2加) , 那么在目的节点t1和t2处才可分别由b1和b1+ (b1+b2) , b2和b2+ (b1+b2) 恢复出所有信息b1b2。如果按照传统路由方式, 在一个单位时间内将无法把b1b2传输给节点t1和t2, 这就是网络编码的优势。

3 在通信网络中的应用

网络编码的应用潜力巨大, 应用领域涉及无线网络、P2P系统、网络安全和分布式文件存储等网络的多个方面, 本文在此作以归纳。

1) 无线网络

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最新的热点集中于物理层网络编码、基于编码的协作方案设计以及实际编码协议性能评估等。相对于传统的合作方案, 基于网络编码的方案在同等的频谱效率下可达到更高的分集增益。Katti等人针对无线网状网提出了基于机会的网络编码协议COPE, 并在20个节点的网络测试床上完成了协议实现。这是首个搭建测试床检验实际编码协议性能的研究, 结果表明即使在网络连接动态变化甚至出现拥塞的情况下, COPE协议仍能有效支持多路单播流[2]。

2) P2P系统

网络编码应用在P2P网络中主要有以下三个方面的好处:第一, 减少了文件的下载时间。在一个大范围分布式的端到端系统中, 找到最优的分组发送时间十分复杂, 尤其是主机对于底层网络拓补知之甚少的情况下更是如此, 而使用网络编码, 网络拓补和发送先后对文件发送时间的影响将会大大减小。第二, 由于编码后的分组具有多样性的特点, 即使服务器在文件下载过程中离线, 或某些网络节点下载结束后立刻离开, 都不会产生太大影响, 所以基于网络编码的方案与一般的方案相比具有更好的健壮性。第三, 与基于转发的协议相比, 基于网络编码的协议仅仅在刺激合作机制实现的时候, 性能受到一点影响。

3) 网络安全

中继节点对编码数据的恶意修改可能会导致网络编码使用受限甚至不可用1消除拜占庭敌手影响一直是网络编码安全应用研究中备受关注的问题。有人提出一种用散列函数检测拜占庭敌手的方法。Jaggi进一步给出了一种多项式复杂度的分布式算法, 在可纠正敌手错误的前提下, 同时达到最优组播速率, 该方法无需对编码节点添加新的功能, 对无线和有线网络均适用。Krohn等人提出一种基于同态散列函数的方法用于检测被修改的编码分组, 但该方法需要将计算好的散列值预先通过其他通道分发给所有节点, 因此该方法具有一定的局限性。有人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, 除了可检测被修改的分组, 还加入了对数据的身份认证功能[3]。

4) 分布式文件存储

分布式文件存储是网络编码又一个应用热点。Acedanski等人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, 比较了无编码存储、基于纠删码存储和采用随机线性码存储3种策略, 仿真结果表明, 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的参与时, 其性能接近集中式全局调度算法。

4 主要优缺点简述

网络编码最初是为使多播传输达到理论上的最大传输容量, 从而能取得较路由多播更好的网络吞吐量。随着研究的深入, 网络编码在均衡网络负载、提升带宽利用率等方面的优点逐渐凸现。

4.1 提升网络吞吐量

无论是均匀链路还是非均匀链路, 网络编码均能够获得更高的多播容量, 而且对于节点平均数越大, 网络编码在网络吞吐量上的优势越明显。从理论上可证明:如果Ω为信源节点的符号空间, ∣V∣为通信网络中的节点数目, 则对于每条链路都是单位容量的通信网络, 基于网络编码的多播的吞吐量是路由多播的Ω (㏒∣V∣) 倍[4]。

4.2 均衡网络负载

网络编码多播可有效利用除多播树路径外其它的网络链路, 可将网络流量分布于更广泛的网络上, 从而均衡网络负载。图2 (a) 所示的通信网络, 其各链路容量为2。图2 (b) 表示的是基于多播树的路由多播, 为使各个信宿节点达到最大传输容量, 该多播共使用SU、UX、UY、SW和WZ等共5条链路, 且每条链路上传输的可行流为2;图2 (c) 表示的是基于网络编码的多播, 假定信源节点S对发送至链路SV的信息进行模二加操作, 则链路SV、VX和VZ上传输的信息均为a⊕b, 最终信宿X, Y和Z均能同时收到a和b。容易看出, 图2 (c) 所示的网络编码多播所用的传输链路为9条, 比图2 (b) 的多播树传输要多4条链路, 即利用了更广泛的通信链路, 因此均衡了网络负载。网络编码的这种特性, 有助于解决网络拥塞等问题。

4.3 提高带宽利用率

在图2 (b) 中的路由多播中, 为了使得信宿X, Y和Z能够同时收到2个单位的信息, 共使用了5条通信链路, 每条链路传输可行流为2, 因此其消耗的总带宽为:5×2=10。在图2 (c) 表示的网络编码多播中, 共使用了9条链路, 每条链路传输可行流为1, 其消耗总带宽为:9×1=9, 因此带宽消耗节省了10%, 提高了网络带宽利用率。

虽然网络编码优点突出, 但运用网络编码增加了计算的复杂性, 而且网路节点需要缓存足够的输入信息, 因此编码操作增加了传输时延和节点的额外的I/O、CPU消耗。一些学者对网络编码的综合性能进行了初步的研究和探讨。统计数据表明, 即使应用最有效的随机网络编码, 其编码和译码的时间也不容忽视。此外, 应用网络编码还存在同步问题, 这主要是由于信宿节点必须等待收到足够的编码信息, 才能开始译码.同步问题给在实时系统中应用网络编码提出了挑战[5]。

5 未来发展方向

经过多年的快速发展, 基于网络编码的新理论和新应用不断涌现, 可以说, 网络编码正给现有网络带来变革性的变化。但从研究的深度来看, 仍处于探索阶段, 还存在一些尚未解决的问题或者尚未探索的领域。网络编码未来的发展方向主要体现在以下几个方面:

1) 网络编码理论的进一步完善。现有的网络编码理论研究主要集中于单源组播网络的线性网络编码, 针对多源组播网络和非组播网络的网络编码理论研究还远不够深入, 如何利用非线性网络编码优化网络性能, 也是未来一个重要的研究方向。

2) 网络编码与其他相关领域的技术的融合。包括网络编码和信源编码Slepian2Wolf的联合设计与优化、网络编码与信道编码和调制技术的进一步结合以及网络编码与多描述分层编码的结合等, 都是值得关注的方向。

3) 降低网络编码的复杂度。网络编码对网络性能的提升伴随着设计和实现复杂度的增加, 综合考虑性能增益和网络开销, 实现最小代价的网络编码是将来需要深入研究的问题[6]。

4) 网络编码在实际网络和复杂流量条件下的性能改进。网络编码在无线网络和P2P系统中具有广阔的应用前景。目前涉及实际网络编码系统的性能分析和评估的研究还较少。针对实际网络的拓补结构, 结合IP路由技术、交叉层设计思想以及优化理论, 实现编码感知的高效路由和调度算法将成为今后研究的重点问题。此外, 在流量动态变化的真实网络中, 具有可变速率的网络编码技术也将是值得关注的研究方向[7]。

6 结束语

网络编码理论是网络通信研究领域中的一项重要突破, 自从首次提出以来, 已迅速发展成一个重要的研究范畴, 并对信息论、编码、通信网络、网络交换理论、无线通信、计算机科学、密码学、运筹学、矩阵理论等领域带来了深远影响。网络编码已成为现今世界各地一流大学及工业实验室最热门的研究领域之一, 也是众多国际研讨会的热门议题。网络编码带给网络应用一场模式革命。几年前, 微软以网络编码作为核心技术开发出“雪崩” (Avalanche) 原型软件。“雪崩”对于P2P通信的大规模内容分发而言, 传送速度可高出BT (BitTorrent) 20%~30%。由于P2P通信占互联网带宽的60%以上, 所以研究人员估计, 未来十年, 网络编码技术将会产生巨大影响, 从计算机通信、无线通信到其他各类通信, 都会广泛地采用网络编码。

摘要：传统的通信网络节点只对接收到的信息进行存储和转发, 扮演着转发器的角色, 但是根据网络信息流中的最大流最小割理论, 没有理由仅让网络节点的功能局限于存储和转发。网络节点可以对多条输入链路上收到的数据信息进行一定的线性或非线性处理, 然后再发送出去, 在接收节点, 通过相应的译码运算恢复出信源所发的信息。网络编码正是基于这种思想产生的。文中首先讲述了网络编码的基本原理, 在此基础上介绍了目前网络编码在通信网络中的主要应用。在对网络编码有了初步认识的基础上, 对于网络编码体现出的优缺点作了总结, 并对未来的发展方向进行了分析和展望。

关键词：网络编码,吞吐量,P2P,网络安全

参考文献

[1]杨行峻, 郑君里.人工神经网络与盲信号处理[M].北京:清华大学出版社, 2003.

[2]陶少国, 黄佳庆, 杨宗凯, 等.网络编码研究综述[J].小型微型计算机系统.2008, 29 (4) :583-589.

[3]杨林, 郑刚, 胡晓.网络编码的研究进展[J].计算机研究与发展, 2008, 45 (3) :400-407.

[4]Ho T, Karger D, Medard M, et al.The benefits of coding over routing in a randomized setting[C].Yokohama, Japan:IEEE International Sym-posium on Information Theory, 2003:442.

[5]Tomislav Nad.Promblems with network coding in overlay networks[EB/OL].http://zoo.cs.yale.edu/class/cs490/04-05a.

[6]Lun D S, Ratnakar N, Medard M, et al.Minimum-cost multicast over coded packet networks[J].IEEE Trans on Information Theory, 2006, 52 (6) :2608-2623

[7]Fong S L, Yeung R W.Variable-rate linear nerwork coding[C].Chengdu:IEEE Information Theory Workshop, 2006.

[8]彭铁光.基于多播的网络编码研究[J].电脑与信息技术, 2008, 16 (3) :23-24.

[9]崔凯, 王丽.网络编码技术及其在通信网络中的应用[J].黑龙江科技信息, 2007 (4) , 46.

试论空时编码技术 篇5

【关键词】空时编码 NSTBC

1、空时编码概述

空时编码(Space-Time Coding,STC)是一种多发射天线的编码技术， STC有来自不同时隙与天线的信号，在空间、时间两个域内进行编码。STC使用多个接收天线接收信息，多个发射天线发送信息，故信息容量（无线通信系统）在很大程度上得到提高，信息傳输速率同时也得到提高。STC是无线通信中一种新的编码和信号处理相结合的技术，它通过引入时域和空域相关处理，减少传输信号之间（不同天线上）的相互干扰，接收端可分集接收到的信息数据。比较而言，使用STC的优势是：能有效提高无线传输系统的容量（在接收机结构相对简单的前提下），获得较高的编码增益（在不牺牲带宽的前提下）。这样基于STC与OFDM的多输入多输出技术就呼之欲出：提供超高数据传输速率而不用损失发射功率资源和带宽。

2、空时编码的分类

目前STC一般分为三种：分层空时编码、空时网格编码和空时分组编码：

(1)分层空时编码(Layered Space-Time Coding,LSTC)技术。1996年，LSTC由美国Bell实验室于提出，1998年，基本形成了LSTC技术的框架，结构简单的BLAST试验系统开发成功，编码系统的研究也开始。LSTC的本质是经过串并变换，把高速数据流转换为若干低速数据流，在并行信道上独立地进行调制、编码，然后从多个不同的天线上发射出去。LSTC的优势：能通过增加发射天线的数目来呈线性增加频带利用率，缺点是抗衰落性较差，适用范围：发射天线和接收天线都较多的通信系统。

(2)空时网格编码(Space-Time Trellis Coding,STTC)技术。STTC最早是由V.Tarokh等人提出,是一类用于多天线无线通信系统中时空编码。STTC系统中，在接收端采用维特比译码算法解码。STTC设计的码子可提供最大的编码、分集增益（在不损失带宽效率的前提下），最大分集增益=发射天线数， STTC同时利用传输分集、信道编码技术，一般用于高速数据的无线通信系统。STTC是以格型编码调制为基础，既能有效地抵抗衰落，又能抑制干扰和噪声，具有相对较高的分集增益、编码增益。STTC具有相对较高的频带利用率。例如，采用有2n个星座点的调制星座图，STTC能够达到的最大传输速率为n(bit/s/Hz) （在保证最大分集增益的前提条件下）。STTC在提高传输速率的同时，其缺陷有两点：第一，STTC的频带利用率在n固定的情况下，不会随天线个数的增加而增加。第二，由于其译码过程采用相对复杂的Turbo算法，（复杂度随着传输速率n、分集度r的增加呈指数增长），限制了其在无线通信系统中的实际应用。

(3)空时分组编码(Space-Time Block Coding,STBC)技术。STTC由于其译码复杂度较高导致的实际应用困难，导致了STBC的应运而生。STBC最早由Tarokh在Alamouti研究的基础上提出。构造空时码子的原理则是根据码子的正交设计，它设计出来各行各列之间满足正交性的码子。STBC接收时采用最大似然检测算法进行解码，只需在接收端做线性处理。与STTC相比，STBC的优点是其构造容易、译码简单，并且增加分集度、提高传输速率都不会对STBC的译码构成巨大的威胁。STBC的缺点是：其传输速率不能达到最大（保证获得最大分集增益的前提下）。

3、 一种新型的空时分组编码NSTBC

对几种STC的几个重要参数进行比较，见表1。综合比较各种性能，虽然STBC相对是最优的，但是还可以进一步优化与改进其编码速率。故本文提出一种新型的空时分组编码 (New Space-Time Block Coding，NSTBC)，NSTBC提高了空时分组编码的编码速率，并且具有较好的性能。

（1）NSTBC的编码。以两副发射天线为例，论述NSTBC的编码及译码原理。NSTBC的编码矩阵如（1）所示。有如下标记：y1=Re(Z1 ),y2 =Im(Z1),y3=Re(Z2 ),y4 =Im(Z2)，其中Z的实部表述为Re(Z)，s的虚部表述为Im(Z)。Gn2可以表示如（2）所示 (Z1=y1+jy2 ,Z2=y3+jy4)。在该编码方式中，输入信号数k=4，时隙数p=2，则编码速率R=k/p=2。而传统的空时分组编码的编码速率为R=1。

（2）NSTBC的译码。在时刻t，发射天线1与接收天线之间的信道用h1(t)表示，发射天线2与接收天线之间的信道用h2(t)表示，假设在两个连续的符号周期内衰落保持不变，即如（3）所示。其中T为符号周期。则接收天线在时刻t和时刻t+T接收到的信号可以分别表示为（4）式。其中m1和m2为接收端噪声和干扰的随机变量。

假设m1和m2为均值为0、方差为N0的独立同分布的复高斯随机变量。可以得到：

用最大似然判决准则判决出Z1、Z2的实部和虚部，就能实现对y1、y2、 y3和y4的译码。对于多条天线的新型空时分组编码，可用最大似然译码算法（空时分组码）进行译码，之后得到译出码字的实、虚部，最后完成译码。

本文经过仿真发现存在以下关系：NSTBC的系统性与发射天线数目成正比。原因是： NSTBC的分集增益随着发射天线数目的增加而变大，整个系统的性能随之变好。NSTBC系统可获得的编码速率R=K/P达到1（STBC系统为R=1/2），故编码速率得到的显著的增加。

多径衰落和带宽效率是影响下一代宽带无线移动通信系统的两个主要问题。OFDM技术通过能有效减小多径衰落对整个通信系统通信质量的影响，如果将其与本文论述的NSTBC相结合，形成OFDM-NSTBC系统方案，可以使频率选择性衰落信道下的问题得到解决。

参考文献：

[1] B.VUCETIC,J.H.YUAN著,王晓海等译.Space-Time coding[M].机械工业出版社,2004.

基于网络编码的无线网络技术探讨 篇6

关键词：网络编码,无线网络,信息交换

在2000年, 网络编码技术最初被提出来用于提高有线网络中的多播 (单点到多点) 传输速率, 使其达到多播的最大流限。在传统的数据包传送方式中, 中间节点仅仅扮演着转发器角色, 它们对接收到的数据进行复制和转发而不对数据内容做任何处理。而网络编码技术拓展了传统的包传送技术。

最初几年, 关于网络编码技术应用的研究主要集中于有线通信网络。已有的研究成果表明:网络编码可以在有线网络中不同的通信场景中带来好处。跟传统的包转发技术相比, 网络编码技术能有效地提高多播传输速率, 或者有效地降低多播带宽消耗。Gkansidis等人研究了网络编码在大数据分发中的应用问题, 不仅节约了下载时间, 还增强了P2P通信系统的鲁棒性。此外, 网络编码还在纠错、链路失败下的数据恢复等方面有着潜在的应用。最近几年, 网络编码技术在无线通信网络里的应用也开始受到广泛关注。研究成果表明, 由于无线链路的不可靠性和物理层广播特性非常适合采用网络编码, 网络编码技术可以在无线局域网、无线中继网络、分布式无线多跳网络等无线网络中带来非常可观的性能改善。

1 网络编码技术在无线网络中的应用

1.1 网络编码的概念

网络编码是一种融合了路由和编码的信息交换技术, 它的核心思想是在网络中的各个节点上对各条信道上收到的信息进行线性或者非线性的处理, 然后转发给下游节点, 中间节点扮演着编码器或信号处理器的角色。

1.2 网络编码应用于无线网络的优势

网络编码融合了路由和编码的概念, 使网络节点不仅可以对数据进行存储转发, 还可以进行编码处理, 已证明了使用线性网络编码已经能足够达到网络多播容量。但网络编码的好处不止这些, 尤其是当网络编码应用于无线网络时。网络编码首先应被应用在无线网络环境。无线网络的特性是不可靠性和广播特性, 使网络编码非常适合应用在无线网络上, 因为无线链路的不可靠性和物理层广播特性非常适合使用编码的方法。应用网络编码, 可以解决传统路由、跨层设计等技术无法解决的问题, 提高网络编码在无线网络中的应用。无线网络的广播特性使其非常适合使用网络编码, 当一个节点传输一个数据包给它的一个邻居节点时, 它的其它邻居节点也可以接收到这个数据包。因此, 当一个节点的邻居节点对不同的数据包感兴趣时, 可以将这些数据包编码后再一起传输, 这样子可以使其所有的邻居节点都收到感兴趣的数据包并可以节约无线资源。

应用网络编码, 可以解决传统路由、跨层设计等技术无法解决的问题, 提高网络性能。网络编码在无线网络中的应用可以提高网络的吞吐量, 尤其是组播吞吐量。可以减少数据包的传播次数, 降低无线发送能耗。当网络部分节点或链路失效时采用随机网络编码, 最终在目的节点仍然能恢复原始数据, 增强网络的容错性和鲁棒性。网络编码对无线网络的性能改善主要体现在提高网络编码的吞吐量上, 网络编码已经被证明对于提高某些网络的吞吐量有着很大的作用。运用网络编码可以在很大程度上提高网络吞吐量, 但是同时会增加网络的复杂性。不少研究者在研究提高无线网络的组播吞吐量的同时, 研究如何降低因采用网络编码带来的复杂性。

1.3 网络编码如何提高无线网络的安全性

网络编码在提高无线网络的安全性研究方面亦取得了一定的成果。在无线网络组播中, 对于数据包的恶意修改的检测, 过去是使用基于消息认证码或者数字签名的方法。基于网络编码产生了一种基于数据包的随机网络编码检测策略, 这种方法计算量小, 而且检测概率可以根据通信控制开销、网络编码复杂程度和检测时间这些因素进行调控。但这种方法亦存在不足。这种方法要求接收节点需要预先获得至少一个没有被恶意修改过的数据包, 并且数据包的内容不能被攻击者知晓, 因此, 这种方法对抗攻击效果不好。

无线网络广播重传处理中, 多个接收节点中的任意一个节点的丢包都要求源节点重传数据包, 需要广播发送较多的重传次数.本文将随机线性网络编码技术应用在无线网络广播重传中, 提出一种新颖的广播重传方法 (RLNCBR) 。该方法中, 源节点记录多个接收节点中丢包最多的接收节点丢包数, 再按照随机线性网络编码的方法编码组合该丢包数个线性编码包。源节点广播重传, 接收节点采用运算编码线性组合的方法获得信息包数据。数学分析表明, 该方法能保证所有接收节点的编码可解性, 同时重传次数可达到理论最优性。模拟测试结果表明:与传统重传方法相比, RLNCBR有效地减少了信息包的平均传输次数, 提高了传输效率。

2 网络编码在无线网络的应用发展方向

网络编码正在给现有的网络带来革命性的变化:网络编码从用来达到有线网络中的组播容量, 发展到在有线和无线网络中提高吞吐量、节省能量、增强鲁棒性和安全性, 甚至改变网络结构、改变网络协议设计方法。网络编码在无线网络中的应用还存在着以下的几个问题:网络编码的具体实现和降低网络编码的复杂性。现在已经提出了很多网络编码方法, 有集中式线性网络编码和分布式随机网络编码, 但是如何在实际网络环境中实现网络编码, 需要考虑许多实际应用问题, 例如同步、控制开销等。网络编码在实际网络环境中如何实现是一个很迫切的问题。采用网络编码可以在很大程度上提高网络性能, 但设计和实现上的复杂性也随之增加。如何在不显著增加网络开销, 综合考虑效率和性能的前提下, 实现网络编码问题是将来需要进行深入研究的方向。

3 结论

无线网络环境由于环境的多变性, 使得数据包在传输过程中更加容易丢失。目前, 重传常被用来实现无线广播的错误处理, 普通重传方法思想基于发送方通过反馈得到接收方的出错情况, 重传出错的数据报文来恢复出错的报文。

网络编码技术是近十年来飞速发展的一个研究课题。虽然还没有应用到实际的通信网络中, 但已引起了较大的关注, 比如美国军方已经意识到网络编码技术的优势, 已经拨款研究网络编码技术在移动自组网 (Mobile Ad Hoc Network) 中的应用。因此, 我们也应当及时跟踪国际上的网络编码技术的发展趋势。同时, 结合各种应用深入思考网络所涉及的各种安全技术问题。

参考文献

[1]范明, 盂小峰.数据挖掘概念与技术[M].北京:机械工业出社, 2001, 8.

[2]胡国强.数据挖掘在远程教育决策支持系统的运用[J].开放教育研究, 2003, (5) 44-45.

[3]YEUNG R W, ZHANG Z.Distributed source coding for satellitecommunications[J].IEEE Transactions on Information Theory, 1999, 45 (3) :1111-1120.

[4]沈逸.多媒体教学应用与CAI的比较研究[J].开放教育研究, 1995 (5) :20-22.

无线通信网络中的联合网络编码技术 篇7

目前, 大多数方案都是基于随机线性网络编码, 如何在多径衰落这种不利条件下, 设计网络编码方案, 使其在无线网络中同样有效是一个具有挑战性的问题。很多国内外学者以及科研机构都致力于对网络编码的研究, 从最初的网络信息流到分别与协作分集技术、MIMO技术相结合的现在。本文通过从物理层角度对无线网络中网络编码与其他应用技术相联合进行分析, 如将其与MIMO等相结合, 充分利用冗余度, 提高系统吞吐量, 并根据未来网络的复杂环境阐述了其进一步的研究方向。

1、联合网络编码

随着研究的深入, 网络编码的很多优点也逐渐体现出来, 如能获得很好的网络吞吐量, 均衡网络负载、提升带宽利用率等优势。同时在无线网络中应用网络编码也面临着许多问题, 如果将网络编码与其它应用技术相结合, 则更能大大提升该应用系统的相关性能。

1.1 网络编码与信道编译码的联合

网络编码同信道的编译码技术相结合的核心思想就是利用网络编码的冗余信息协助信道编码, 从而获得好的抗噪性能, 达到最大的信道容量;通过利用中继传输的冗余度来获得分集增益[1]。基于Turbo码和LDPC码的联合编码已经被广泛研究, 并在多址中继信道、时分复用双向中继信道[2]和BSC中与传统的网络编码方案进行了比较, 充分显示了联合编码在能量消耗、信道容量、误码率等方面的优势, 有效降低了编码复杂度以及由信道噪声带来的失真。

1.2 网络编码与协作分集技术的联合

协作分集技术, 即在多用户环境下, 每个天线用户在发送自身信息时也为其协作伙伴发送信息, 通过节点间的协作, 形成虚拟天线系统, 以获得较大的分集增益, 克服无线信道衰落。另外, 在协作分集的基础上进行网络编码可以同时获得分集增益和网络编码增益。在协作传输过程中, 通过在信源节点和终端节点放置中继可进一步提高数据传输速率, 改善无线通信系统抗衰落性能, 提高资源效率和系统容量[3]。

协作网络编码是当前无线移动通信系统的研究热点之一, 特别是基于物理层网络编码的无线协作通信系统, 对于双信源、双信宿无线通信系统, 假设信源S1和S2都要将各自的信息广播到两个信宿d1和d2。由于发射功率的限制, d1 (d2) 将超出S2 (S1) 的传输范围, S1和S2将通过共享的中继R来实现传输范围的扩大。在传统协作中继系统中由于要保证信号在正交信道上能够传输, 完成这一过程需要4个时隙, 而采用无线网络编码后仅需要2个时隙。分别为: (1) 将S1信号广播至R和d1;同时S2将其信号广播至R和d2; (2) R对二者叠加信号进行物理层网络编码, 并将编码后的信号广播至d1和d2。由于d1 (d2) 在第1个时隙已经接收到S1 (S2) 广播的信息, 因此, 在第2个时隙结束时, d1 (d2) 可以从编码后的信号中提取到S2 (S1) 的信息。

此方案充分利用了网络资源和分集技术, 可获得相对较低的错误概率、中断概率, 以及较高的编码增益。因此, 采用物理层网络编码的协作中继系统可以降低传输时间损耗, 使数据在衰落信道中更好地传输。

1.3 网络编码与MIMO技术的联合

MIMO技术利用在发射端和接收端均采用多天线、多通道来获得高分集增益以改善信道的多径衰落特性, 以及提高系统容量、频谱利用率和数据传输速率;通常情况下, 多径要引起衰落, 致使数据包丢失。对于MIMO系统, 多输入多输出技术通过利用空间分集来解决这一问题。因为多入多出是针对多径无线信道来说的, 传输信息流经过空时编码形成M个信息子流, 由M个天线发射出去, 经空间信道后由N个接收天线接收。在接收端通过检测译码, 将接收到的符号矢量利用空时编码处理, 并解码这些数据。

这两种技术的最终目的都是从接收到的符号矢量中恢复出原始信息, 为了能够充分利用MIMO技术的分集特性和在传统网络编码中并没有利用到的冗余信息, 将网络编码和MIMO技术相结合 (MIMO_NC) 。最大程度的将收到的信息传递给译码器, 降低丢包率, 完成检测译码过程, 获得高信噪比增益。

MIMO_NC方案[4]的编码过程:由信源发出的信息, 经过信道编码输出信息单元, 这些由每个节点生成的信息单元被存入缓存器中, 然后对其进行网络编码, 产生编码包, 并用Galois符号表示, 最后经过转换调制将相应波形通过无线信道传输出去。

译码过程:在接收端将收到的数据包进行信道估计, 并从其头部提取出网络编码系数, 如果头部损坏就丢弃;反之, 则把所有数据包存在缓存器中, 并更新网络估计矩阵。为了在接收端正确获得信源的发送信息, 节点存储器中至少要有等量的独立的原始数据包, 这样才能解出编码方程D (28) GX, 若少于要求数, 则终端正确恢复原始信息的概率会很低。所以当能够进行译码时, 节点开始检测接收到的数据包数目, 同时确定中继节点数, 最后通过软译码方案恢复出原始信息。

同样为了获得高分集增益, 在编码阶段可以在发送端采取用两个网络编码器的方法, 这样就有两个网络编码矩阵G1和G2, 头部存储编码系数, 并且编码相同的信息。此时的编码增益会明显提高, 但是以传输速率的降低为代价, 而在译码过程中采用自适MIMO-NC技术, 就是为了改善传输速率, 降低错误概率, 但同时复杂度有所增加。具体的编译码流程如图所示:

x1 x2…xp指的是经信道编码后的信息单元, gnp为每个编码包的头部包含的编码系数, {bn, 1...bn, 8}指的是Galois符号dn所对应的调制后的矢量sx。y1...yN指的是在不同时间接收端收到的来自不同信源的编码包。

在传统的网络编码中, 每个数据包的解调过程和提取NC系数过程都是分开进行的, 其在译码阶段仅用来成功地接收数据包, 因此限制了从不同节点接收相同信息的优势。MIMO_NC会利用已破损的CP, 将所有收到的信息传递给译码器, 充分利用冗余信息, 改善其性能。

2、进一步的研究方向

现在网络编码的研究已经走向多元化, 实用化。在LTE-A中通过采用MIMO分集技术, 来抑制多径衰落, 改善信道特性, 提高系统性能。新一代无线通信网的网络架构是复杂的、多变的, 其不仅体现在网络层次、基本构架方面, 也体现在复杂的无线场景、传播环境和混合的无线小区结构上等。如何能在这样的环境下进一步满足提高系统的吞吐量、信道容量, 降低误码率等要求, 是目前的研究热点。

因此在以后的研究过程中我们可以考虑以下几方面:

(1) 网络编码是一种协作通信的模式[3], 与其他技术相结合可以优化网络性能, 在各种无线传播环境下, 充分结合多输入多输出天线技术, 研究对网络中数据流传输的影响。研究基于协作分集技术的物理层网络编码和信道编码的联合设计方案, 以及基于网络编码的数据传输, 研究低复杂度、低时延的网络编码算法。

(2) 在实际无线通信网络中, 信道往往是频率选择性衰落的, 这种环境下MIMO网络编码的性能分析也是很值得研究的。除了理论研究MIMO网络编码技术外, 还需要考虑实际的场景, 以解决应用过程中遇到的各种问题, 如编译码复杂度、延时问题对系统性能的影响问题, 系统效率、编码效率和鲁棒性的提高问题等。

3、结语

网络编码技术在无线网络中起到了重要的作用, 同时具有很广阔的应用前景。由于无线通信网中信道的固有特性, 在物理层进行网络编码并结合一些相关的检测技术、纠错编码技术、MIMO技术, 与传统的网络编码方式相比, 能获得更好的系统性能。本文主要介绍了网络编码分别与协作分集技术和MIMO技术相联合的方案及研究进展, 并提出了有待进一步研究的方向。

参考文献

[1]HoT, Koetter, Medard M, A Random Linear Network Coding Ap-proach to Multicast.IEEE Trans.Inf.Theory, 2006:4413～4430

[2]Hausl C, Hagenauer J, Iterative Network and Channel Decodingfor the Two-Way Relay Channel/Proceedings 0f IEEE Interna-tional Conference on Communications 2006:1568—1573.

[3]殷勤业, 张莹, 丁乐.协作分集:一种新的空域分集技术, 西安交通大学学报.2005.06.

基于网络编码的数据通信技术研究 篇8

1 网络编码在数据通信技术中的应用

所谓网络编码, 其实就是将编码和路由的信息进行相互交换的技术。网络编码的工作原理为:网络通信系统在运行中接收到的若干个数据被网络结点进行重新编码组合, 并将重组后的数据编码通过中间结点传送到多个目的结点处, 目的结点再利用编码系数对这些数据编码作解码处理, 以还原原始数据, 由此达到数据通信目的。这种数据通信方式有别于传统的数据通信方式, 其极大的提高了网络的通信容量, 并时原本属于物理层的编码和原本属于网络层的路由相互融合在一起, 实现了两者的有机统一, 这就打破了原有数据通信技术和数据处理方式的格局, 为网络通信技术水平的提升提供了新的发展方向。

可以说, 利用网络编码技术进行数据信息传送能够极大的提高信息传送效率。这不但是因为网络编码可以使网络数据单次传送的信息量大幅度增加, 还在于网络编码可以减少分组的传送次数, 这样就极大的改善了网络数据的传送性能, 包括增大网络吞吐量, 提高带宽利用率, 均衡网络负载等方面。尤其是在无线通信技术应用越来越广泛的今天, 网络编码技术还能够增大无线网络通信的安全性和能量资源的利用率。因此, 基于网络编码的数据通信技术正逐渐成为未来通信技术的主要发展趋势, 是一个非常值得重视的研究课题。

2 基于网络编码的数据通信研究现状

目前, 世界各国都在积极的研究网络编码的相关技术, 并且已经在多个领域取得了一定的成果。具体主要可以体现在网络协议结构、数据传送模型、路由协议、数据传送性能保证机制等几个方面:

2.1 基于网络编码的网络协议结构研究

目前, 网络编码的研究主要集中在网络层方面, 尤其是网络编码与路由协议的结合, 一些研究也开始探讨网络编码在协议结构中其它协议层中的研究, 如网络编码与MAC层协议的结合及与传送层TCP协议的结合等。由于网络编码的内在特性与传统的网络数据传送模式不同, 将网络编码引入到现有的网络数据传送协议中, 将会产生一系列新的问题, 如网络编码与现有各种普遍应用的网络协议的兼容性、网络编码对现有网络协议层次结构的影响等。这些问题的研究将为后续数据传送中网络编码的研究提供一个总体结构框架, 使网络编码能够与现有网络协议紧密结合, 从而有效地提高网络数据传送性能, 同时, 也为网络编码的实际应用提供了理论基础。

2.2 基于网络编码的数据传送模型研究

构造算法是网络编码成功应用的基础, 一个可行的网络编码的码构造算法应保证网络各目的结点成功地解码编码数据, 且算法的复杂度较小, 易于在现实网络中部署应用。目前, 网络编码的码构造算法主要有线性网络编码代数网络编码以及随机网络编码等。在各种编码机制设计中, 应用较多的为线性网络编码, 其核心思想是允许网络中间结点对接收到的来自不同输入链路的信息流在有限域内进行线性组合 (有限域指编码系数选择的范围, 通常指伽罗华域) , 然后再将组合的数据转发出去。线性网络编码中典型的码构造算法包括指数时间算法、多项式算法和分布式的随机网络编码算法等。由于随机线性网络编码方案具有独立于网络拓扑结构的特性和较高的灵活性, 且线性编码运算相对简单, 因此, 基于网络编码的数据传送机制, 在编码构造过程中均采用随机线性网络编码构造方案。

2.3 基于网络编码的路由协议研究

在基于网络编码的数据传送技术研究中, 具有网络编码技术应用的路由协议的优化设计对提高网络数据传送性能的影响相对较大, 是网络数据传送研究的重要内容之一。基于网络编码的路由协议设计是网络编码实现及应用的基础, 将网络编码与路由协议统一到一个较高层次的描述是网络编码研究中的一个重要问题, 这将为新的网络系统及网络设备的设计提供理论指导, 且基于网络编码的路由协议研究将为网络编码理论提供应用的基础。目前, 结合网络编码与路由协议的研究主要体现在独立路由协议的网络编码的研究和编码感知的路由协议的研究, 区别在于路由协议产生的路径是否存在主动编码机会, 即路由协议是否可创造更多的编码机会及更有效地利用编码机会。

2.4 基于网络编码的数据传送性能保证机制研究

在实际网络环境中, 数据传送的突发性及网络拓扑结构的易变性造成网络数据传送的不稳定性, 如引起随机的分组丢失和不确定性的数据传送时延等, 这使得基于网络编码的数据传送技术研究应依据实际网络状态, 分析探讨提供数据传送性能保证的编码策略方案, 特别是降低网络编码中数据传送时延及提供数据传送可靠性保证的策略方案, 因此, 在基于网络编码的数据传送过程中, 提供具有一定Qo S保证的网络数据编码传送机制是网络编码技术研究中的重要问题之一。目前已经有学者研究出了一些解决方案, 如采用多速率编码机制来, 利用不同链路和不同传输速率的数据来执行相关决策机制, 从而避免编码对数据的传输速率产生影响, 从而解决时延控制问题。当然, 具体的解决方案还需要进一步的研究和探索。

结束语

总之, 网络编码的研发和应用促进了数据通信技术的改革, 为未来的网络数据通信技术发展提供了新的契机。现如今基于网络编码的数据通信技术已经取得了一定的进展, 但是这些研究成果仍然是一些初级成果, 相信在未来的发展中, 网络编码的技术体系还将更加完善, 从而极大的提高数据通信技术, 尤其是无线数据通信技术, 并为人们的生活和工作提供更多便利, 促进信息时代的进一步发展。

参考文献

[1]袁远.基于网络编码的数据传输性能分析和优化技术研究[D].长沙:国防科学技术大学, 2011.

[2]赵渊.基于网络编码的无线传输关键技术研究[D].南京:南京邮电大学, 2012.

基于网络编码的数据通信技术分析 篇9

1 网络编码概述

1.1 网络编码的基本原理

网络编码在数据通信技术中,对网络结点输入和输出的关系进行了准确定位,当中间节点具备编码条件后,能够对所接收到的数据按照一定方式实现编码处理,直至传送至后续节点。后续结点的处理则具有一定可控性,不论是否进行编码都能够发挥其实际应用价值,若在必要情况下需要进行编码处理时,则应对所接收的信息再次进行编码后方可传输,并反复编码反复传输,最终保证编码信息达到目的结点。针对目的结点对信息进行准确译码后,方可对最初结点所发出的基本信息进行获取和判定。

1.2 网络编码的构造方法

在进行网络编码组合的过程中,依据何种方式实现所接受数据的编码组合是当前相关领域内人士所面临的一个重要问题。基于当前网络编码构造的实际情况来看,不同的网络编码形式在具体表现方式上往往存在一定差异,尤其是在编码系数选择方式以及分组编码操作方式等方面,其表现更为明显。线性网络编码以结点对所接受的数据分组普遍实行线性编码组合型操作,以促进编码工作规范有序开展。

当前编码系数在选择方式上存在差异,将网络编码构造分为两种,一是确定性网络编码,二是随机网络编码。确定性网络编码构造方式具有一定特殊性,主要是依据某一种算法对编码系数进行计算,而随机网络编码是依据伽罗符号进行随机选取以确定编码系数,通过对两种方式进行对比分析可知,随机网络编码构造方式的灵活性较强,在实际应用中能够取得比较理想的网络编码质量和效率。

依据网络系统实际运行过程中编码实现方式的不同,可以将编码分为集中式网络编码和分布式网络编码。其中,集中式网络编码在对整体网络拓扑形式进行准确把握的基础上,依据整体网络情况对相应的编码系数进行合理分配和布局,以提高网络编码的有效性,但就实际情况来看,一旦遇到拓扑变化较大的情况,集中式网络编码则难以有效应对,此种情况下导致集中式网络编码在实际应用中不免存在一定局限性。而分布式网络编码的应用,在对网络系统内局部拓扑信息进行掌握后便可实现相应编码操作,相关实践研究显示,分布式网络编码在数据通信技术中具有良好的应用效果。

1.3 网络编码应用网络数据传送的研究

一是网络编码复杂度降低研究。现阶段最主要的问题就是怎样在提高网络编码效率的同时降低网络编码的复杂程度,还有就是在网络编码实用化的过程当中,逐渐控制网络编码的复杂程度,减少网络编码需要的额外计算量,从而降低系统实施成本。二是数据传送可靠性研究。现阶段对网络数据传输可靠性的网络编码研究主要是根据多径路由展开的,这也在一定程度上为网络编码中的数据传输提供了可靠性。因此,在多跳动态的网络环境当中,分析研究提高网络编码数据传送的可靠性具有很大的现实意义。

1.4 网络编码在数据通信技术中的应用

通常情况下,网络编码是指通过编码与路由信息的有机转换以达到技术目标,网络编码是现代数据通信技术领域内的新技术,将系统所接收到的数据流进行合理重组和排列后,基于不同路径实现多元数据的重新组合,通过对编码系数的有效利用,以实现数据的科学化处理,最终实现原始数据的有效还原。网络编码技术在数据通信技术内的有效应用,能够在一定程度上提升通信容量,改善通信质量,将数据通信领域内原有的网络层次与现代化网络有机融合,通过各自应用价值的有效发挥以及二者之间的协调配合,转变数据通信技术的数据处理方式,推进数据通信技术的现代化发展。

也就是说,网络编码技术在数据通信技术领域内具有良好的应用价值,促进大量数据信息有序传输,并且实际传输的效率和稳定性能够得到有效保障。网络编码技术的有效应用,促使网络数据单词数据信息传输的顺利实现,信息传送量明显增加,这就明显减少了传送次数,改善网络运行质量,提高网络数据传送性能,从整体上促进宽带利用率的提升,改善能量资源的利用率,切实增强无线网络通信的安全性。因此,在现代社会科学技术不断进步的今天,基于网络编码的数据通信技术正不断实现跨越式发展,将会成为未来通信技术的重要发展趋势,值得加以进一步研究和推广应用。

2 基于网络编码的数据通信技术分析与研究

2.1 基于网络编码的路由协议

基于网络编码的数据通信技术分析和研究显示,基于网络编码技术的路由协议的优化设计具有一定特殊性,作为网络数据传送分析与研究的重要内容,其对网络数据传送性能具有重要影响。基于网络编码的路由协议为网络编码的实现和合理应用提供可靠基础,通过将网络编码与路由协议有机统一,促进高层次的描述的形成,此种情况下,为网络系统的创新以及网络设备的科学化设计提供了可靠的理论依据,推进数据通信技术的现代化发展。就网络编码的路由协议的实际应用情况来看,其主要体现在独立路由协议的网络编码和编码感知的路由协议两方面,以是否存在主动编码机会为主要区分依据,判断路由协议是否可以创造更多编码机会,从而对相关编码机会进行有效利用,以提高数据通信的质量和效果。

2.2 基于网络编码的网络协议结构

当前,基于网络编码的数据通信技术主要基于网络层方面,随着网络编码与路由协议的有机融合,促使网络编码协议结构中的其他协议层得以不断深入,但是,与传统的网络数据传送模式相比,网络编码的内在特性存在一定独特性,在将网络编码引入到现有的网络数据传送协议后,极易出现新的网络编码问题,包括兼容性有限以及网络编码对网络协议层次结构的内在影响。在未来网络编码的数据通信技术发展过程中,此类问题能够在一定程度上为后续网络编码研究提供可靠的基础,促使网络编码与现有网络协议实现有机融合,提高网络数据传送性能的有效性和可靠性,促进网络编码在数据通信领域内实际应用价值的有效发挥。

2.3 基于网络编码的数据传送性能保证机制

在标准的网络环境下,网络数据传送极易受到网络拓扑结构的易变性和数据传送的突发性等因素的影响和作用,导致网络数据传送不稳定,甚至出现分组丢失以及数据传送延时等问题。因此,基于网络编码的数据通信技术应依据网络实际运行状态,探讨数据传送性能保证的编码策略方法,最大程度上提高数据传送的可靠性,避免数据传送延时情况出现。相关学者研究表明,采用多速率编码机制并利用不同链路的数据执行相关决策机制,有助于降低网络编码对数据传输的影响,使数据传送延时问题得以有效控制,在未来发展过程中,相关解决方案仍有待进一步探索。

2.4 基于网络编码的数据传送模型

构造算法的提出,为网络编码的成功构造以及保证网络各节点成功解码数据奠定了可靠的基础,在实际应用中,算法的复杂程度较低,易于部署应用。当前,网络编码的码构造算法主要有线性网络编码和随机网络编码等,就编码机制设计的实际情况来看,其中比较常用的是线性网络编码,基于网络中间节点对接收到的不同输入链路信息实现线性组合,进而将组合的数据进行转发。就线性网络编码的实际应用情况来看,其主要包括指数时间算法、多项式算法以及随机网络编码算法等比较典型的码构造算法。而随机线性网络编码方案往往具有相对独立的网络拓扑结构的灵活性,因此,线性编码运算形式具有简便性,可以提高数据通信质量和效果,在实际编码过程中大多采用随机线性网络编码构造方案。

3 结语

通过对基于网络编码的数据通信技术进行分析和研究可知,当前我国网络编码在实际应用中仍处于初级阶段,在方案设计以及复杂编码的简化上有待进一步完善,以降低网络编码的复杂度,减少协议运行开销,促进数据通信技术应用过程中各项问题的有效解决。在未来的研究中,应不断加强网络编码的数据通信技术创新,从而更加广泛地应用于社会各个领域内。

参考文献

[1]余翔,吕世起,曾银强.C-RAN平台下信道编码与网络编码的联合算法设计[J].广东通信技术,2016(4).

[2]杨蕊.网络编码在无线网络中的应用及发展趋势[J].科技创业月刊,2013(5).

基于物联网下的编码技术比较 篇10

物联网（The internet of things），就是物物相连的互联网。物联网的核心和基础仍然是互联网，只是信息交换和通信发生在物品与物品之间。信息交换和通信发起的主体可能是人，也可能是物品，最终还是以满足人类的基础需要为目的。

物联网实现可分为标识、感知、处理和信息传送4个环节。关键技术跨越无线通信、计算机技术、自动控制、信息传感、信息识别等领域。在物联网的产业链中，感知与识别技术是无线网络产业的核心基础技术。所以RFlD和条码成为识别技术的重要组成。

RFID技术

物联网中非常重要的技术是RFID（射频识别）技术。RFID是射频识别（Radio Frequency Identification）的英文缩写，是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，是目前比较先进的一种非接触识别技术。它可以实现从几毫米到几百米远的无接触识别。条码利用的是光，RFID利用的是磁场或电磁场。条码与RFID技术均是代码识别技术，即通过一种以标签作载体的代码来标识物品，建立起代码与物品的对应关系，识别标签承载的代码即为等效识别了物品。物品通过标签技术代码化之后，即可方便地将物品虚拟化，再网络化并可实现代码与实物的链接。

而RFID又是一种能够让物品“开口说话”的技术。在“物联网”构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。

条码技术

条码是由一组黑白相间、粗细不同的条状符号组成。按照不同的分类方法和编码规则可以分成多种，一般可分为一维条码和二维条码。一维条码也就是我们常见的商品条码，包括EAN/UPC码、128码、LTF码、39码等。一维条码就是给物品分配一个代码，代码以条码的形式标识在物品上，以便自动扫描设备的识读。一维码所携带的信息量有限，如商品上的条码仅能容纳13位数字，更多的信息要依赖数据库的支持。

二维条码简称二维码，是用某种特定的几何图形，按一定规律在平面（二维方向）上分布黑白相间的记录数据符号信息的图形，在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。它具有条码技术的一种共性：每种码制有其特定的字符集，每个字符占有一定的宽度，具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能及处理图形旋转变化等特点。二维条码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息。

二维码分为三种类型：①行排式。也称堆积式二维码或层排式二维码，其编码原理是建立在一维条码基础上，按需要堆成两行或多行，如Gode16k、Code49、PDF417等。②矩阵式。又称棋盘式二维码，是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维码所代表的意义。矩阵式二维码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制，如Aztec、Maxicode、QRcode、DataMatvix等。③邮政码。通过不同长度的条进行编码，如Postnet、BPO4-State。

RFID与条码技术比较

1.从成本上讲：RFID的成本居高不下，并且高端芯片等核心领域的产业化还需要时间；而一维、二维码成本低廉，每张只需几分钱。所以说，成本较高严重制约着RFLD的广泛推广和应用。

2.从技术上讲：RFID信息容量大、能够多次读写，可回收再利用，且能读取高速运动物体，同时识别多个标签，操作更快更方便，不足之处是信息安全存在隐患以及磁污染等问题；二维码信息容量与一维条码相比呈几何状增加，还可包含照片、指纹等信息，并且识读快、还有错误修正及防伪功能，但是信息内容无法更改。一维码条码如被撕裂、污损或脱落，则无法扫描出信息，而二维码在损毁面积达50%仍可以恢复信息。据悉，现在已有二维码厂商通过后台服务模式，解决了二维码不能多次修改以及容量不足这两大瓶颈。

3.从识读距离上讲：RFID具有非可视识读，识读距离远，且可同时识读多个标签；一维、二维码识读距离近，通常必须将条码对准扫描仪才能识读。所以，二维码目前被移动终端和移动互联网作为存储、解读、处理和传播渠道而产生的各种移动增值服务。

4.从应用上讲：一维码技术非常成熟，已广泛使用在商品的销售上，可以降低成本；人们通过手机存储二维码作为电子交易或支付的凭证及食品溯源管理系统的应用，包括电子商务中的电子票、电子优惠券、电子提货券、电子会员卡和支付凭证，及物流、交通、制造业、传媒、旅游等领域；而RFID则更适用于货运中的托盘、集装箱、包装箱等大量商品的快速通关、进出库等，以及发行实体卡，如公交卡、有回收需求的地铁票、门票等。