网络组播中的网络编码构造与优化研究

论文摘要

网络数据传输和处理能力的大幅度提高使得基于组播技术的多点间数据传输需求日益增加。网络编码理论是21世纪初在信息论和网络通信研究领域中的一个重大突破,而网络组播中的网络编码技术业已成为组播通信领域的重要研究课题之一网络编码的基本思想是允许网络中间节点参与编码,而不再像传统的路由传输方式仅仅局限于存储与转发。与传统的路由传输方式相比,网络编码可以显著改善网络的性能,如提升网络吞吐量、节约网络带宽资源、均衡网络负载、增加网络的鲁棒性和安全性等。但网络中间节点需要对信息进行编解码操作,因此在数据传输过程中也增加了编码操作运算代价。在网络组播中采用网络编码技术的关键是构造可行的网络编码方案,而编码方案的优劣则决定了编码运算代价和网络吞吐率。显然,提高网络吞吐率、降低编码运算代价对采用网络编码技术的组播数据传输具有重要的意义,它们是构造可行的网络编码方案时要考虑的两个重要因素。基于以上两个网络编码构造要素,本文主要在三个方面进行了研究：1.网络编码操作运算代价与网络参数间的关系研究。已有文献表明网络参数的选取对网络编码的运算量有着明显的影响。本文通过理论分析和推导,导出网络编码运算代价与相关网络参数的确切数学关系模型,揭示了网络参数如何影响网络编码运算量。该理论推导可以为正确地选取网络参数提供有效的指导。2.给定网络拓扑,在保证组播率达到理论最大值的条件下,最少网络编码边求解问题研究。首先,在分析了现有应用遗传算法降低网络编码运算代价的研究工作的基础上,针对网络编码方案筛选问题的特点,对遗传算法做出全面的改进并应用于最少网络编码边求解问题。模拟实验的结果显示,改进后的新算法在运行效率和筛选方案的优秀程度上都要优于以往算法。3.多源组播网络编码构造与优化研究。目前网络编码的研究基本上局限于有向无环的单源组播网络,对于多源组播网络中网络编码的研究还不够充分。本文在前人的研究基础上,对无环多源组播网络编码的优化构造展开了研究。采用蚁群优化算法对多源组播网络进行子图划分,提出了使各子图的吞吐量组成的向量达到最优的网络编码的构造方法。仿真测试结果表明,提出的方法是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究目的与意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究工作
• 1.5 本文章节安排
• 第2章 相关理论与技术
• 2.1 网络编码的基本概念
• 2.2 线性网络编码原理
• 2.3 随机网络编码原理及实现
• 2.4 遗传优化算法
• 2.5 蚁群优化算法
• 2.6 本章小结
• 第3章 随机线性网络编码性能分析
• 3.1 蝴蝶网络拓扑上的随机线性网络编码性能分析
• 3.1.1 蝴蝶网络的随机线性网络编码构造过程
• 3.1.2 译码成功概率性能分析
• 3.2 算法设计及实验验证
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于改进遗传算法的组播网络编码资源优化方法
• 4.1 引言
• 4.2 符号与概念
• 4.3 利用改进遗传算法优化网络编码资源
• 4.3.1 基本遗传算法及其改进算法
• 4.3.2 适应值评价函数
• 4.3.3 基因型编码与遗传算作
• 4.3.4 选择操作具体过程
• 4.3.5 仿真结果与数值分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于蚁群算法的多源组播网络编码构造与优化
• 5.1 引言
• 5.2 问题的定义
• 5.3 划分子图及求解各子图容量
• 5.4 蚁群优化算法求解过程
• 5.5 构造网络编码
• 5.6 仿真实验与结果分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表