无线网络中基于网络编码的可靠通信问题的研究

摘要

目前，无线网络由于其价格低廉、布网容易等特点，受到越来越多的关注。然而，由于无线信道衰落、节点之间的干扰或者节点本身的硬件毁坏等原因，无线网络中无线链路相比于有线链路来说是非常脆弱容易失效的。此外，无线网络中的网络能量和其他资源与有线网络相比要少得多。故而，如何在无线网络中防止链路失败，保证网络的可靠传输并且合理利用网络资源，成为目前研究的一个热点问题。因此，本文主要研究无线网络中的可靠传输问题。
　　 近年来，为了确保无线网络中的可靠传输并且合理利用网络资源，研究人员提出了各种网络保护机制来保护无线网络传输防止链路失败，例如：能量控制机制、自动重传请求(ARQ)机制、前向纠错(FEC)机制和基于网络编码的网络保护机制等等。本文中主要关注如何合理地使用网络编码来保护网络传输和减少网络资源的消耗。
　　 网络编码是近年来新兴的一种网络技术。在无线网络中，合理的利用网络编码能够提高无线网络资源利用率、减少转发次数、节省网络能量和提高无线网络可靠性和吞吐量。因此，网络编码可以给无线网络带来深刻的影响。在本文中，我们主要使用网络编码技术来实现无线网络中的可靠通信和充分利用网络资源。本文主要的研究内容和创新点总结如下：
　　 1.本文研究了无线网格网络(WMN)中的多点到一点的通信模式的1+N保护机制。这种基于网络编码的1+N保护是用来解决网络中N个源节点同时发送数据到同一网关节点（多点到一点通信），并且网络中仅有一条路径发送失败时，如何使用网络编码进行网络保护的问题。但是，已有这种1+N保护方案仅能应用于特定网络拓扑，即网络中的任意κ个源节点至少要连接到κ+1个一跳邻居路由节点并且严重浪费每个路由节点上剩下的路径上的网络资源。实际上，只要网络中有足够的路径资源，我们就可以对所有用户提供1+N保护。所以，本文给出了一种扩展的验证普通拓扑的WMN网络是否可以提供1+N保护的充分必要条件：网络中的任意κ个源节点至少要连接到κ+1条可达网关节点的互不相交的路径，并改进了以前的1+N保护机制使其能够在更为一般的网络拓扑上应用，以使网络中的路径资源能够得到充分利用。本文给出一个辅助图来将原始的具有普通拓扑的网络图转换成一种严格的网络拓扑，在这种严格的网络拓扑条件下以前提出的1+N保护机制就能够成功的应用。通过这种图的转换可以将原来的只能在具有严格拓扑的WMN网络中应用1+N保护机制，拓展应用到普通的网络拓扑中去，从而，极大的提高了网络资源的利用率和网络吞吐量。
　　 2.本文针对无线网格网络中只有一对具有多条数据路径的源和目的通信节点对之间有多条路径失败的网络保护问题，提出了一种新的多路径失败保护的N+k编码保护机制。当这个通信节点对之间有多条路径传输失败时，如何有效的恢复失败的数据提高网络资源的利用率是本文研究的另一个主要问题。首先，本文设计一种以平均失败路径保护而非简单的以最坏失败路径来进行保护的编码方案。本文给出的这种基于平均路径失败的编码保护方案，不仅可以满足网络保护的需求还能够充分的利用网络资源提高网络吞吐量。其次，本文证明了本文中对于某通信节点对之间多路径失败的N+k编码保护机制中的编码方案的可解码性。最后，本文给出相关实验说明本文提出的基于保护平均路径失败的N+k编码保护机制相比于以前给出的基于保护最坏路径失败的编码保护机制来说，能够充分的利用网络资源提高网络吞吐量。
　　 3.洪泛传输是无线传感器网络中最基本的服务之一，主要用来将某个消息发送给整个传感器网络中的每个传感器节点。在洪泛传输中应用网络编码可以减少冗余传输、节省节点能量的消耗和延长网络寿命。本文研究了在异步传感器网络中如何使用网络编码来减少洪泛次数进行有效的可靠的洪泛问题。本文提出了异步睡眠调度的传感器网络中基于网络编码的有效洪泛机制。本文给出一个转换算法将原始的网络拓扑图转换成时空辅助图，然后，通过这个时空辅助图将原来的基于网络编码的有效洪泛转换成一个等价的问题来进行研究。对于这个给定的等价问题本文只需要在辅助图中找到最小生成树，就可以获得最优的网络洪泛。本文同时给出了一个启发式算法来计算最小生成树。并且本文说明了本文的图转换算法和寻找最小生成树的算法都是可以在多项式时间内完成的。

目录

声明

摘要

图目录

主要符号对照表

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 无线网络中的几种传输模式

1．2．1 多点对一点传输模式

1．2．2 具有多数据流的点对点通信模式

1．2．3 洪泛

1．3 研究内容

1．4 具体问题和创新点

1．5 本文的组织结构

第2章 背景知识介绍

2．1 无线网络的分类和简介

2．2 可靠通信

2．3 网络编码

第3章 无线网格网络中多点到一点通信模式下改进的1+N保护机制

3．1 引言

3．2 问题描述

3．3 WMN中的1+N保护机制的充分必要条件

3．4 解决方案

3．4．1 在具有普通网络拓扑的WMN中验证充分必要条件的算法

3．4．2 应用于普通拓扑的WMN网络的网络编码方案

3．4．3 工作总结

3．5 实验结果

3．6 本章小结

第4章 无线网格网络中一种有效的N+k保护的编码方案

4．1 简介

4．2 基于编码的保护多路径失败的网络保护问题的研究

4．2．1 网络模型

4．2．2 问题描述

4．2．3 符号定义

4．3 一种线性编码方案

4．4 实验结果

4．5 本章小结

第5章 基于网络编码的异步传感器网络中的洪泛的研究

5．1 引言

5．2 相关研究

5．2．1 睡眠调度

5．2．2 洪泛

5．2．3 基于网络编码的洪泛

5．3 准备工作

5．3．1 网络模型

5．3．2 假设条件

5．4 问题描述

5．4．1 基本思想

5．4．2 问题描述

5．5 解决方案

5．5．1 时空图(TSG)

5．5．2 等价问题

5．5．3 等价问题的解决方案

5．6 实验结果

5．7 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 工作总结

6．2 研究成果

6．3 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果