基于网络编码的无线传输技术研究

摘要

随着无线网络技术的成熟及针对传输质量要求的不断提高，如何保证无线链路的可靠性和安全性、提高现有无线网络资源的利用率已成为当今无线网络通信研究的重要课题之一。 网络编码是一种融合编码和路由的信息交换技术，传输路径上的节点对接收到的多个数据包进行编码融合后进行转发，目的节点可以依据相应编码系数进行解码还原传输的原始信息。由于无线链路的广播传输特性和不可靠性，近年来将网络编码应用于提高无线传输效率和安全可靠性方面的研究正在成为热点。本文主要针对无线传输中的链路可靠性、安全性及优化无线路由传输等目标，研究了基于网络编码的无线广播重传策略、基于随机线性网络编码的分批重传策略、基于网络编码的无线恶意篡改检测方法和结合网络编码的无线路径代价衡量方法。 本文首先对应用网络编码无线传输技术的研究作了综述，对网络编码的基本概念和定义作了说明，对网络编码在无线传输技术中的应用作了归类和分析，指出了应用网络编码的无线传输技术的研究现状、动态和存在的问题。 本文的主体部分研究了无线传输技术中的可靠性与安全性问题。结合网络编码思想，针对传输可靠性中的广播重传问题和传输安全性中的恶意篡改检测问题进行了扩展和分析。 针对传统无线广播重传策略信道占用率较高、重传次数较多的问题，提出了一种基于网络编码的广播重传策略。该策略分析了不同丢失包进行编码组合重传的可解性条件，提出了具有实际可用性的网络编码重传算法和重传实现机制。通过模拟测试结果表明，与逐个重传的传统策略相比，新策略有效地减少了信息包的平均传输次数，提高了重传效率。同时，针对新策略在较高链路丢包率下的重传性能下降问题，引入了重传再丢失处理策略和发送序列排序策略进行改进，有效的改善了较高链路丢包率下的重传性能。 针对基于网络编码的广播重传策略处理延时较小但不能达到重传性能最优性的问题，提出了一种基于随机线性网络编码的分批重传策略，该策略对传输信息包分批进行重传处理，源节点通过反馈记录下每个批次的各个接收节点丢包数，按照随机线性网络编码的方法编码组合最大丢包数个线性编码包广播重传；接收节点采用运算编码线性组合的方法获得信息包数据。尽管该策略需要对批次内的信息包进行延时等待，但重传性能可以达到每个信息包批次内的重传最优性。 针对无线恶意篡改检测问题，提出了一种基于网络编码的无线网络恶意篡改检测方法，该方法不依赖额外硬件和密钥，其核心思想是利用网络编码互换传输的特性对节点传输信息包进行邻居节点验证，通过简单的异或和散列运算判断出数据包是否被相邻节点修改或者伪造，同时通过编码可以达到一次发送双向传输的目的。分析结果表明，新的检测方法能够以较高的概率检测出篡改和伪造，达到孤立恶意节点的目的。 本文进一步研究了结合网络编码的无线路由优化问题。提出了一种结合网络编码的路径代价衡量方法，该方法利用流量参数反映网络编码对信息流的“搭乘”影响，能够较好地体现节点编码对路径上的传输次数的影响。基于该衡量方法，进一步提出了一种无线Mesh网络中的结合网络编码的无线按需路由协议，并对该协议的具体路由过程和传输性能进行了模拟测试和分析。分析结果表明该协议可以有效地结合网络编码思想选取传输的较佳路径，达到有效提高传输性能的目的。 本文关于基于网络编码的无线传输技术的研究将为网络编码技术在实际无线传输环境中的实际应用提供良好的理论基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 相关的研究及其现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 论文的组织

第二章 基于网络编码的无线传输技术研究现状及分析

2.1 网络编码的概念与定义

2.1.1 网络编码的基本原理

2.1.2 网络编码可达到最大流传输极限

2.2 网络传输中的网络编码构造方法

2.2.1 确定性网络编码

2.2.2 随机网络编码

2.2.3 实际网络编码设计与优化

2.3 网络编码应用于无线传输的研究

2.3.1 改善无线传输吞吐量和能量利用效率

2.3.2 保证无线传输安全性

2.3.3 保证无线传输可靠性

2.4 基于网络编码的无线传输技术研究趋势

2.5 本章小结

第三章 基于网络编码的无线广播重传策略

3.1 概述

3.2 相关的研究工作及基础

3.3 NCWBR重传策略

3.3.1 无线广播重传模型

3.3.2 NCWBR基本思想

3.3.3 网络编码重传可解性定理

3.4 NCWBR实现机制描述

3.4.1 NCWBR源节点编码策略

3.4.2 NCWBR实现机制

3.5 NCWBR重传性能模拟测试

3.5.1 模拟测试环境

3.5.2 模拟结果及其应用分析

3.6 NCWBR在较高链路丢包率下改进策略HBRANC

3.6.1 较高链路丢包率传输环境的特点分析

3.6.2 HBRANC基本思想

3.6.3 HBRANC的重传再丢失处理策略

3.6.4 HBRANC的广播接收状态矩阵调整策略

3.6.5 HBRANC发送步骤描述

3.6.6 模拟测试结果及分析

3.7 本章小结

第四章 基于随机线性网络编码的分批重传策略研究

4.1 概述

4.2 相关的研究工作及基础

4.2.1 随机线性网络编码基本思想

4.2.2 节点构造随机线性网络编码包策略

4.2.3 随机线性网络编码解码及可解析分析

4.3 信息包分批的重传处理机制

4.4 针对信息包分批处理的网络编码重传策略RLNCBR

4.4.1 RLNCBR基本原理

4.4.2 RLNCBR重传可解性分析

4.4.3 实际重传处理过程描述

4.5 RLNCBR与其他编码重传策略的比较

4.6 RLNCBR性能分析

4.6.1 数学理论分析

4.6.2 模拟测试及其分析

4.7 小结

第五章 基于网络编码的无线恶意篡改检测研究

5.1 概述

5.2 相关的研究工作及基础

5.2.1 典型的无线网络恶意篡改模型描述

5.2.2 当前检测恶意篡改的典型策略思想

5.3 DENNC方法的基本思想

5.4 DENNC的检测能力分析

5.5 DENNC方法实现机制描述

5.6 DENNC恶意篡改节点处理机制

5.6.1 DENNC恶意节点处理机制

5.6.2 DENNC检测性能分析

5.7 DENNC与现存检测机制的比较

5.8 小结

第六章 结合网络编码的无线路径代价衡量方法研究

6.1 概述

6.2 相关的研究

6.2.1 网络编码互换传输思想

6.2.2 结合网络编码的机遇路由寻找思想

6.2.3 结合网络编码的先应式路由协议

6.3 一种结合网络编码的路径代价衡量方法RMNC

6.3.1 结合网络编码的路径代价问题描述

6.3.2 RMNC基本思想

6.4 应用RMNC的路由协议NCDRP

6.5 NCDRP协议性能测试与分析

6.5.1 模拟环境

6.5.2 测试结果及其应用分析

6.6 本章小结

第七章 结束语

7.1 本文的主要工作和创新点

7.2 进一步的工作展望

参考文献

致谢

攻博期间参与科研项目及发表论文情况