网络编码理论与技术

5网络纠错码理论及其新进展 • 网络编码可以分为经典网络编码和随机网络 编码两大类。 • 在一个通信网络中，如果允许网络节点对其 输入信息进行线性编码，则可以使网络中单 播/组播的信息传输达到著名的最大流上届。
• 经典网络编码中，局部编码核和与之对应的全 局编码核是事先给定的，信息数据作为向量从 发点发出；中间节点按照给定的局部编码核对 接收到的若干向量作线性编码；当收点接收到 足够的向量后，则根绝全局编码核解出原始数 据向量。 • 随机网络编码，没有事先给定全局编码核：信 息向量(即数据包)由发点出发到达中间节点， 中间节点随机选取局部编码核对输入向量作线 性编码，并由该局部编码核计算出相应的全局 编码核，然后将相应的全局编码核附在每个数 据包中进行发送。网络中无错误时，收点在
• 单速率组播的优点是，可以较快地响应网 络拥塞并精确地控制发送速率。但大规模 异构网络中，由于单速率组播以最慢接收 者的速率发送数据，显然对具有较高带宽 的接收者是不公平的。提高发送速率固然 能够增加快接收者的带宽利用率，却可能 影响慢接收者的正常接收。异构性问题更 加严重。 • 为解决网络的异构性问题，多速率组播技 术应运而生。
8基于网络编码的无线Mesh网络路由协议与 应用
• 网络编码的优点： • 1 提升网络吞吐量，采用网络编码可以比路 由具有更高的吞吐量。 • 2 改善网络负载均衡。 • 这里给出了一个图，很好的说明了这个问 题。 • 3 提高带宽利用率。 • 4节省无线网络节点能量消耗。
• 网络编码的缺点 • 1 复杂性增大 • 中间节点参与编解码，与路由的存储转发 相比，增加了CPU计算额外负担，信宿解 码的复杂性为O(k3)，k为传输消息数量，因 为要实现编码同步，需要增加缓存消耗。 而且无论是解码还是缓存，都需要延长信 宿解码的时延，对实时应用有较大的影响 • 2安全问题凸显
• Byzantine攻击即Byzantine将军问题，是一 个协议问题。 • Byzantine攻击者是隐藏在网络中的恶意节 点，不仅具有无线计算能力，而且具有恶 意攻击行为。不仅窃听，而且像干扰或阻 止正常通信。
• 网络编码的工作原理是把不同的信息通过运算 转化成新信息，新信息可以在多个中间节点间 的多条路径上反复传递，最终被送往接收节点 ，然后在接收节点演绎还原。不需额外容量和 路由，只需把新信息转换成位流即可。 • 网络编码不仅仅是网络层的问题，实际上物理 层的问题也值得研究。 • 网络编码分散了信息，其编译码特性增加了信 息破译难度，从而改善了系统安全性。
• 协作分集的思想来源于中继通信，但不同于中 继通讯。 • 中继系统中，中继节点的作用是形成主信道， 是单纯作为中继而存在的，本身没有信息要传 送。传统中继没有分集功能，通过协作可以使 单天线用户也获得分集增益。
分类： • 双跳协作和多跳协作 • CDMA,TDMA,FDMA. • 放大中继模式，解码中继模式，编码协作模式 • 编码协作是将协作技术和信道编码技术相结合 的传输，基本思想是：对正确解出的合作伙伴 的信号重新进行编码。相当于将空域分集与码 域分集相结合。 • 无线网络中网络编码的一个潜在研究方向就是 基于网络编码的合作通信，使无线网络中的中 继节点具有编码功能。
• 网络编码算法 • 集中式算法，分布式算法，线性以及随机 编码算法。 • 频率选择性衰落信道下的分集性能研究。
7抗Byzantine攻击的安全网络编码研究综述 网络通信中,按照攻击者的攻击方式,攻击主要 分为以下两种:搭线窃听(被动攻击)和 Byzantine攻击(主动攻击)。 搭线窃听，攻击者只是窃听而无其他行为。目 的是通过窃听降低对要传送给接收者信息的不 确定性，或者解码出这些信息的片段。
• 信息理论证明，采用网络编码技术，信息 源发送速率可以达到所有组播成员的最大 流/最小割的最小值。 • 如何设计分层组播的传输结构，实现每个 组成员在每一层的速率和路由的最优化分 配。
• 数据包调度过程，简而言之，就是节点按 照特定的调度原则或算法，为到达队列的 数据包安排输出的先后顺序。传统的包调 度算法包括排序优先型(sorted-priority)和帧 结构型(framed-based)，两大类都是基于公 平性的调度原则。公平性原则要求节点必 须公平地为每个流提供服务，链路带宽必 须在不同的流之间进行公平分配。
3融合网络编码理论的组播交换结构 交换和路由的基本目的是相同的，都是尝 试从一个部分转传信息到另一个。不过， 路由的网络层级是更大型的，其在网络中， 信息交换的两个节点间可以由一个大的距 离隔开。而交换，通常是指在一个网络节 点交换信息。此外，路由通常需要其他网 络节点的合作，是基于路由协议的，而交 换只是一个功能单一的设备，是基于转发 表，交换结构和调度算法的。
• 网络编码可看成是路由的超集。 5 网络编码复杂性降低 网络编码需要中间节点参与编解码，比路由 而言，节点需增加额外计算和存储要求， 增加了节点复杂性，也引入较大时延，如 何在保持网络编码提升网络吞吐量优势的 前提下尽量降低网络编码复杂性(最小代价 网络编码问题)，是网络编码研究的关键问 题之一。
• 主要思想既是针对确定的编码调制方案找到 相应的解调标准使得物理层电磁波叠加可以 隐射到网络层比特流的叠加编码。
• • • a
S1
S1
T
S3
b
S3
S1+S3 S1+S3 三个节点双向线性无线网络中只需要2个时 隙即可完成双向端节点S1和S3交换数据，而 传统网络编码和不采用网络编码方案则分别 需要3个和4个时隙方可完成交换任务
1MANETs中基于网络编码和定向天线的有 效广播 合肥工业大学数学系 王青山
2网络编码理论研究进展 Network Coding的基本思想是允许网络中间节 点参与编码，该理论具有达到最大容量的优势。 划时代意义在于：推翻了独立比特(commodity) 不能再被压缩的经典结论，指出网络信息流 (Network Information Flow)可以被压缩，从而 进一步提升网络吞吐量。也称网络信息流理论。
2.1无环网络中的网络编码-线性网络编码 • 线性多播说明了凡是最大流量大于等于信 源消息数量的节点都可以利用网络编码收 到所有信源消息；线性广播说明每个节点 可以根据自身的接入带宽收到相应的消息 ，相当于多速率接收；线性扩散则说明每 个节点不仅多速率接收，而且保证信宿节 点以互补的形式接收消息，而一般线性网 络编码则要求每个需要线性独立的地方都 必须线性独立，以保证最有效的传输。
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单播和组播 吞吐量和提速 阻塞和输出争用 交换结构中的缓存策略： 共享存储排队 输出排队 输入排队 虚拟输出排队 组合输入输出排队 交叉点排队
• 流(flow)，具有共同的源和接收集合的一个 数据分组流。
4可分级视频流的最优化网络传输 组播技术可以有效减轻网络通信的负担，避免 资源的无谓浪费。无论有多少个目标地址，在 整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据 包。 组播环境中，服务器只需要发出一个流，然后 由网络中的路由器或交换机同时复制出n个流。 在传统的单速率组播中，发送方根据最慢接收 者的速率，选择统一的速率发送数据。这使得 所有接收者无论其接收能力如何，都将以相同 的速率接收数据。
• 提出全新的空域分集技术-协作分集。单天线 的移动终端也实现空域分集。 • 基本思想：在一个多用户的环境中，每个单天 线的移动终来自百度文库都有一个或多个合作伙伴，每个 终端在发送自己的信息时也帮助其他伙伴传输 信息。这样，每个终端在传输信息的过程中， 既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道， 从而获取了一定的空间分集增益。 • 本质上说，协作分集就是希望借助合作伙伴的 天线，与其自身天线共同构造多发射天线，从 而获得空间分集增益。
基于网络层比较 • 有向无环图 • 无向图 • 有向有环图 基于应用层比较 在应用层，或者称为覆盖层，采用单播实现多 播和广播，利用应用层上的单播来间接实现IP 层的多播和广播。由于实际上是单播，所以可 以归结为单会话单播的情形。
• 基于物理层的比较 • [Physical layer network coding]提出了另一 种多跳网络环境下的物理层网络编码 PLNC(Physical-Layer Network Coding)， 充分利用了无线信道的广播特性，引入合 适的机制，在物理层上利用同时到达的电 磁波本身具备的加性特点进行类似于网络 层的编码。PLNC的吞吐量与采用传网络编 码和不采用网络编码相比可以达到50%100%的增加。
• 空间分集技术从不同的位置(天线)发送信号， 在接收端得到经过独立衰落的多个信号副本， 可以有效消除多径衰落的影响。空间分集不需 要占用额外的时间和频带资源，并且可以和其 他分集方式相结合，得到了广泛的关注。近些 年来提出的多输入多输出(MIMO)天线技术， 通过在接收端和发送端同时安置多个天线，形 成MIMO信道结构，从而将传统通信系统中存 在的多径因素变成对用户通信性能有利的因素 ，充分利用空域资源，大幅度提高信道容量。
• 代价定义 • 保证较大吞吐量和较高解码成功率前提下，代 价： • 参与网络编码的节点数最小； • 网络编码的操作数最小； • 参与网络编码的分组数量最小； • 消耗的资源最小； • 有限域的大小；
• 基于图论最优化的方法 • 基于线性规划的方法 • 基于NUM的方法(Network utility Maximization) 借鉴经济学中描述消费者再接受服务时所获得 收益的效用思想，定义网络节点对网络所提供 服务的满意程度来作为网络的效用。通常采用 对偶分解(Dual Decomposition)方法将求解全 局最优的目标转化为可在每个节点上执行的分 布式算法，易于部署和实施。净效用，通过网 络编码获得多播吞吐量的效用减去所付出代价 ，然后利用基于效用最大化的方法来求解。
网络编码理论与技术 杨义先 主编 国防工业出版社 2009年8月第一版
包含八篇论文： 1MANETs中基于网络编码和定向天线的有 效广播 2网络编码理论研究进展 3融合网络编码理论的组播交换结构 4可分级视频流的最优化网络传输 5网络纠错码理论及其新进展 6网络编码在协作分集中的应用 7抗Byzantine攻击的安全网络编码研究综述 8基于网络编码的无线Mesh网络路由协议与 应用
• 2.2 有环网络中的网络编码-卷积网络编码 • 卷积多播，卷积广播，卷积扩散，卷积网 络码
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4 网络编码与路由比较和统一 网络编码性能比路由优越是有条件的。 分类比较的角度： 拓扑：有向图无环图，有向图有环图和无向 图。 • 传输方式：单播，广播，多播，多源多播。 • 会话个数：单会话，多会话。 • 分层：物理层，网络层，应用层(覆盖层)。
• 收到足够多的数据包后，提取出全局编码核， 并由其解得原始数据包。 • 什么是局部编码核？什么是全局编码核？ • 网络节点对信息进行编码的系数是编码核！
6网络编码在协作分集中的应用 无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道 容量增加，影响无线通信传输速率与质量 的重要瓶颈，如何克服多径效应便成为提 供通信质量要解决的首要问题。 分集技术是抗多径衰落的有效方式，常见 的分集方式主要有时间分集、频率分集合 空间分集。