清华大学电子系博士前沿课 网络信息论(樊平毅教授)

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网络编码的实例
•网络编码使得网络组播的最大流传输成为可能
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网络信息论研究的未来方向（续）
2003 Li (Waterloo) 应用层网络编码的设计 2003，Ho, Medard,Kotter, 网络管理与网 络编码 2005 A. Ramamoorthy, J. Shi, and R. Wesel. 基于随机图的网络编码容量分析
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网络信息论研究的未来方向 （续）
实现方式的变化 1 Grossglauser and Tse, 移动性可以增加无线 Ad hoc网络容量。 2 Xie, Kumar, 信息论观点：scaling laws And optimal operation 3. Toumpis, Golddsmith, 无线Ad Hoc的容量域 分析。 4 Laneman (MIT,2002) Cooperative diversity in wireless networks: algorithm and architecture.
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网络信息论研究的基本问题
容量的实现问题 网络的容量问题
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网络容量分析技术
网络层处理 逻辑方法 虚拟 物理层处理 信息论容量 分析 Cross-Layer 网络信息容量 组合分析技术
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网络层分析技术历史
单信源单目的地节点的网络容量 1956年Shannon给出了最大流最小割的信息传输 理论，最小割最大流定理。 图论技术： 最小割的计算：存在多种算法， Ford-Fulkerson算法,Edmonds-Karp算法， Dinic算法，Karzanov算法等。 组播技术（Multicast) 网络信息流理论（2000年，Yeung) Network Coding
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网络理论研究的基本问题 （续）
网络效益：控制策略理论（Game Theory)，效益分析理论（Utility Function） 业务分类：QoS保证，集中式管理，分 布式控制等 网络安全：信息加密、信息保护、信息 过滤等。
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接力模式的容量域研究的分类 （续）
第二类：压缩转发模式 (Compress / Forward ) (1) Estimate and Forward (2) Observe and Forward (3) Quantize and Forward
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物理层容量域分析技术历史
具有接力模式的容量域研究早期的工作 Van Der Meulen ，1968 （Berkeley,PhD 论文） 引入了接力信道模型。其研究一 直持续到1977年。 Cover, El Gamal (Stanford), 1979年得到 了接力信道的容量定理。（部分结果已 在Thomas Cover, Elements of Information Theory 出现)
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Shannon信息论的发展 （续）
联合信源信道编码 面向应用的多差错保护编码理论 抗信道衰落的信道编码理论：如Rake Receiver 理论，时空编码，分集接收理 论，智能天线理论等。
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网络理论的历史
网络理论有很长的发展里程，最早可以 从物流理论、图论或运筹学等学科中找 到它的影子。 电信网的出现是在电话机发明之后才出 现的。现代的通信网络的分类方法有许 多种，我们主要介绍以下几种分类模 式：
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接力模式的容量域研究的分类
第一类：解码转发 （Decode and Forward) (1) Irregular encoding/successive decoding (2) Regular encoding/sliding-window decoding (3)regular encoding/backward decoding
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网络信息论研究的未来方向
网络容量的评估标准的变化 1. Gupta and Kumar, 2000年研究了无线 信道的容量（capacity) 2. Transport Capacity 3. Outage Capacity
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物理层容量域分析技术历史（续）
Schein,(MIIT,2001) Gallager, Generalized Compress/Forward to parallel Relay networks (2000). Gastpar Kramer, Gupta (2002) to multiple Relays. Kramer, Gasptar,Gupta, （2005）研究了接力 网络和节点合作模式的容量分析，将容量分析 的信息论模型与割集计算上界分析进行了比 较。
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Shannon信息论的发展
联合抽样与编码理论，矢量量化与编码 理论，图象压缩编码理论、基于内容的 信息压缩编码理论等。 逼近Shannon信道极限的信道编码理 论：如LDPC, Turbo码等。高效调制编码 如TCM, BCM码等。抗突发差错编码理 论：交织码、RS码等；以及一些有效的 译码算法，如：Viterbi, BCJH, ListTable 等。
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物理层容量域分析技术历史（续）
Willems 1982,(Belgium), Introduced backward decoding. Aref (1980,Stanford) extended irregular encoding/successive decoding to multiple Relays. Developed Capacity-achieving binning strategies for deterministic broadcast relay network and deterministic relay network without interference. Gupta, Kumar, extended it to multisource networks.
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通信网的分类（2）
按用途分 骨干网，城域网，局域网， 专用网，家用网 按网的拓扑结构分 环行网，星型网，网状网，蜂窝网 此外，固定网，ad-hoc网等。
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网络理论研究的基本问题
可实现性： 网络协议的制定，信令理 论， 路由选择理论。 网络的使用效率：网络容量分析---电话 网中Erlang理论 (排队论）；网络的拥塞 控制理论；传输效率分析理论（基于图 论的最大流理论）；交换理论。 网络管理与维护：集中式管理（有限状 态机理论）；分布式管理 等。
博士生前言课讲稿
网络信息论ຫໍສະໝຸດ 樊平毅 教授 清华大学电子工程系 2005年9月
目录
网络信息论的概念介绍 网络信息论的研究进展 网络信息论研究的基本问题 网络信息论的未来研究方向
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历史回顾
信息论是Shannon在1949年提出的，研 究的主要内容涉及： （1）信息表示理论：如信息抽样理论、信 息量化理论、信源编码、信号失真理论 等。 （2）信息传输理论：如信道容量估计、信 号调制理论、信道编码理论等。
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通信网的分类（1）
按信息播送的方式： 单播：Unitcast 组播：Multicast 广播：Broadcast 按传输介质分： 无线网络 有线网络
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•广播/组播模式
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•基于随机图的组播方式和信息流估计
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物理层容量域分析技术历史（续）
Slepian and Wolf, (1973-1975) 研究了多址离 散无记忆信道的容量域问题。 Cover and Leung 1981 研究了带有反馈模式 的多址信道可实现速率。 Ahlswede, 1974, 研究了两个发送两个接收信 道的容量域。 King,1978(Stanford) 具有一般反馈模式的多址 信道容量问题。（Multiacess channel with generalized feedback)
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网络信息论研究的未来方向 （续）
Network coding 2000, Yeung, (CUHK) Information flow, 提出网 络编码的概念。 2003， Li, Yeung, (CUHK) Linear Network Coding 2002, Kotter, (UIUC) Medard (MIT) 网络编码的 代数方法 2003 Lehman 随机网络编码技术 2004 Landberg,网络编码复杂度研究问题，树形 分割技术