面向数据分发的部分网络编码方法研究

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随着计算机网络与无线通信技术的飞速发展,各种无线通信网络与人们的生活和工作联系得越来越紧密,同时人们对网络的多样化服务以及传输质量提出了更高的要求。而在无线通信网络中由于无线链路的广播特性、不可靠性以及节点的移动性,使其应用受到很多限制,网络中节点的能耗问题以及节点的扰动性问题等亟待解决。因此,如何更有效利用无线通信网络的有限资源实现更高质量的数据分发,是目前无线通信网络研究领域中最重要的课题之一。  网络编码的提出为实现更高质量的数据分发指明了研究方向。网络编码融合了编码和路由的概念,核心思想是允许网络中间节点按照一定的规则对其传输的信息进行编码处理后再转发,不再局限于传统的存储转发。将网络编码引入数据分发系统,可以显著提高网络的吞吐量,增强网络的鲁棒性以及提高网络带宽的利用率等。因此,面向数据分发的网络编码方法研究已成为目前数据分发技术研究中的热点之一。  然而,与传统的基于存储转发操作的路由机制相比,基于网络编码的数据系统中节点需要执行频繁的编译码操作,增加了节点额外的存储和计算开销,实用性较差。在实际网络中,信息的到达很难保证完全同步,节点要等待接收到一定数目的信息块,才能执行编译码操作,不可避免的产生传输延迟。因此,在保证网络编码改善无线通信网络数据分发性能的前提下,为了降低网络编码操作带来的额外存储计算开销,降低传输延迟,提出了网络中部分节点参与编码的方法,即部分网络编码方法。  论文内容主要涉及以下三个方面:  (1)为了解决无线传感器网络中由于节点能量过度消耗退出网络所产生的“能量空洞”问题,以及将网络编码应用于无线传感器网络中由于编码代价产生的传输延迟问题,在同构无线传感器网络中提出了能量均衡的部分网络编码方法(Energy Balancing Partial Network Coding,EB-PNC)。采用能量均衡的策略提高网络中节点能量的利用率,避免某些节点能量过度消耗而提前退出网络。采用部分节点参与编码的方法,在一定程度上可以减少由于执行编译码操作带来的额外开销,以及编码节点进行编译码操作时等待信息块的时间,从而降低传输延迟,延长网络的生存周期。  (2)充分利用异构性可以显著提高网络的性能、延长网络的生命周期,因此在异构无线传感器网络模型中提出了节点能量预测的部分网络编码方法(Energy Forecast Partial Network Coding,EF-PNC)。为了解决了完全网络编码方法中节点盲目编码的问题,采用部分节点参与编码的方法,根据节点剩余能量预测模型适时、准确的选取编码节点,使节点能量利用率最大化的同时降低网络编码带来的额外开销。同时采用分类编码节点思想将编码节点分为业务编码节点和能力编码节点,增加网络编码的鲁棒性,提高网络编码的效率,在能量消耗和传输延迟方面要优于完全网络编码方法。  (3)为了解决P2P网络中由于节点的扰动性带来的“稀缺块”问题,在保证数据分发系统整体传输性能的前提下,减少网络编码带来的额外开销,提出了反馈调节的部分网络编码方法(Feedback Regulation Partial Network Coding,FR-PNC)。使用分层P2P网络结构,在超级节点中建立块索引和稀缺块表,监测网络中数据块分布情况。通过建立负反馈调节模型,根据网络中数据块分布情况,动态自主的选择部分节点执行编码操作,在解决“稀缺块”问题的同时最小化网络编码带来的额外开销,降低网络中节点的平均下载时间。  论文分别在同构网络和异构网络模型中提出了部分节点参与网络编码的方法,在保证改善网络整体传输性能的前提下,降低了节点由于执行编译码操作而带来的额外存储和计算开销以及传输延迟,延长网络的生存周期。
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