基于网络编码的高效网络传输技术研究

论文摘要

自网络编码于2000年首次被Ahlswede等人提出后,立刻吸引了众多研究者的关注。Ahlswede等人指出,如果给网络节点赋予编码功能,网络带宽可以被不同的信宿节点共享,能有效提高多播会话的网络带宽利用率。对一个多播网络而言,存在多播速率上限,如果使用传统的转发工作方式,多播速率上限不一定可达。但是,利用网络编码,通过线性网络编码就可以达到被称作最大流-最小割的多播速率的上限。论文工作是研究在基于网络编码的网络传输中,如何提高传输效率。本文首先介绍并分析了网络编码在有线／无线网络中的基本原理,并以此为基础研究了基于网络编码的多播传输中的重传问题,基于网络纠错编码的无线实时视频的跨层优化和带宽分配问题与基于网络编码的异构无线网络中的选网问题。论文的主要贡献总结如下：1.研究了基于代的网络编码的重传问题,鉴于现有的重传策略的不足,提出了两种基于代的重传策略,即基于丢包链路的重传策略（Packet-Loss-Edge-based ReTransmission strategy, PLERT）和最小重传策略（Minimum ReTransmission strategy, MRT）。与现有的重传策略比较,所提出的两种重传策略不但具有较高的重传效率,而且性能不受编码域大小的影响。PLERT重传策略由中间节点发送重传请求,降低了重传请求的开销。MRT重传策略使用确定性算法构造重传包,达到了最优的性能。仿真结果表明,PLERT重传策略在丢包率较小时具有很好的性能,随着丢包率的增加性能逐渐降低。MRT重传策略在所有的策略中性能最优,算法复杂度相对较高,但复杂度仍是多项式时间的。2.以代内编码重传方式为基础,进一步提出了代间编码重传方式。在代间编码重传方式中,允许属于不同代的重传包进行混合编码。结果表明,在无明显增加编解码复杂度的情况下,代间编码重传方式进一步提高了编码增益,但解码延时有所增加。3.由于无线信道的不确定性以及带宽和QoS需求的约束,通过无线网络传输实时视频是一个具有挑战性的问题。使用网络纠错编码为不同重要性的视频帧添加冗余保护,可有效提高视频传输质量。为了提高编码效率,本文提出了一种基于网络纠错编码的跨层优化模型,根据GOP结构与信道条件优化接收端的视频质量。在该模型中,联合优化了物理层的自适应码调参数、数据链路层的ARQ参数与应用层的网络纠错编码参数。同时,在所提出的跨层优化模型基础上,提出了一种根据丢包率和可得带宽添加冗余数据的低复杂度算法。4.针对基于网络纠错编码的多用户无线视频传输,提出了一种公平的带宽分配策略,以保证跨层优化更合理有效。在所提出的带宽分配策略中,使用博弈论的思想分配网络带宽,使用户能获得较为公平的QoS保证。与现有的方法比较,所提出的带宽分配策略综合考虑了信道条件和视频流特征,如果不同信道条件的用户具有相同的优先级,在接收端将获得相同的QoS。5.针对信息交换和数据广播两种典型的应用场景,研究了基于网络编码的异构无线网络的选网问题。在基于网络编码的异构无线网络中,不但要考虑用户在不同网络中的信道条件,还要考虑能够获得的编码增益,才能得到最优的选网结果。针对基于网络编码的信息交换,提出了一种自适应的选网策略,该策略根据接入速率确定编码增益,然后求得接入不同网络的传输代价并得出选网结果,提高了网络带宽利用率。在基于网络编码的数据广播中,由于不易求得精确的网络编码增益,提出了网络编码机会因子的概念。后采用网络编码机会因子估计新用户能够获得的编码机会,进一步得出不同网络的接入代价,并选择接入代价最小的网络接入。基于这种思想选网不但计算复杂度低,而且能够获得较高的传输效率。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图目录
• 表格目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与研究现状
• 1.1.1 单播通信和多播通信
• 1.1.2 网络编码的发展和研究现状
• 1.2 特色与创新之处
• 1.3 研究内容与组织结构
• 第2章 网络编码技术
• 2.1 网络编码的基本概念
• 2.1.1 数学模型
• 2.1.2 线性网络编码
• 2.2 网络编码的基本构造方法
• 2.2.1 代数的构造方法
• 2.2.2 多项式时间的构造方法
• 2.2.3 随机的构造方法
• 2.3 网络纠错编码
• 2.4 基于网络编码的无线传输
• 2.4.1 基于网络编码的无线信息交换
• 2.4.2 单跳无线网络中基于网络编码的数据广播
• 2.4.3 基于网络编码的多会话无线传输
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于网络编码的多播传输的重传策略研究
• 3.1 基于网络编码的网络传输中的可靠性保证技术
• 3.2 系统模型
• 3.2.1 基于代的网络编码
• 3.2.2 重传策略的基本思想
• 3.3 基于代的重传策略
• 3.3.1 传统重传策略
• 3.3.2 随机重传策略
• 3.3.3 基于丢包链路的重传策略
• 3.3.4 最小重传策略
• 3.3.5 性能分析
• 3.4 基于多代的重传策略
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于网络纠错编码的无线视频传输的跨层优化和带宽分配问题研究
• 4.1 基于网络纠错编码的无线视频传输
• 4.2 基于网络纠错编码的跨层优化技术
• 4.2.1 提高视频传输质量的技术手段
• 4.2.2 跨层优化模型
• 4.2.3 跨层优化算法
• 4.2.4 基于GOP结构的A-FEC带宽分配算法
• 4.2.5 性能仿真与分析
• 4.3 基于KSBS的公平的带宽分配策略
• 4.3.1 现有的带宽分配策略
• 4.3.2 博弈论与带宽分配策略
• 4.3.3 传输模型与效用函数
• 4.3.4 基于KSBS的公平分配策略
• 4.3.5 性能仿真与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于网络编码的异构无线网络的选网策略研究
• 5.1 异构无线网络与网络编码
• 5.2 基于网络编码的信息交换的选网策略
• 5.2.1 选网结果对信息交换性能的影响
• 5.2.2 选网策略的算法实现
• 5.2.3 性能仿真与分析
• 5.3 基于网络编码的数据广播的选网策略
• 5.3.1 影响选网策略的关键问题
• 5.3.2 数学模型
• 5.3.3 平均传输次数η的计算
• 5.3.4 几种可行的选网策略
• 5.3.5 性能仿真与分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 个人简历及攻读博士期间的主要研究成果