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网络编码关键技术及其应用研究

作　者: 郝琨
导　师: 金志刚
学　校: 天津大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 网络编码编码优化遗传算法机会路由文件分发
分类号: TN915.02
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

网络编码打破了通信网络中传统的信息处理方式,网络节点对信息进行编码等处理,使得信息传输速率达到网络的最大流,提升网络的吞吐量、节约传输带宽和均衡负载等。但是,网络编码系统中的编解码操作,必将给网络带来额外的开销。因此,减少网络编码操作的额外开销,对网络编码的传输过程进行优化,对推动网络编码的实际应用有重要的意义。论文以网络编码理论及其优化机制为基础,对网络编码优化及其在不同领域下的应用进行了研究。研究成果包括以下几方面:基于遗传算法的网络编码优化:针对网络编码的单目标优化建立了优化模型,并在模型基础上设计了基于简单遗传算法的最小化编码节点的优化算法MCN。仿真结果表明,算法有效地减少了参与编码的节点数量。针对网络编码的多目标优化问题,综合考虑编码消耗和链路消耗问题,设计了基于NSGA-II算法的网络编码的多目标优化算法MOONC。仿真结果表明,该算法能有效得到Pareto解,并降低了网络的整体开销。结合机会路由的部分网络编码优化:针对无线网络中广播通信能量效率、网络编码延迟问题,设计了部分网络编码优化算法。考虑当前链路状况和节点的能量状况,提出了基于部分网络编码的能量约束机会路由协议PNCOR。仿真结果表明,部分网络编码与机会路由相结合,在降低网络延迟、提高网络吞吐量方面均有显著的优势。同传统的路由机制相比,吞吐量提高了22%,投递率提高了23%左右,网络延迟降低25%左右,提高了无线网络传输性能。基于确定性网络编码的文件分发:以P2P文件分发系统为研究背景,设计了一种新的网络编码文件分发模型及算法DLNCCD。该模型在保证编码解码成功的前提下,采用确定性编码方法降低了网络编码的复杂度。同时,将该编码方法应用在特定的网络拓扑结构上,在保证达到最大的网络编码增益的前提下,有效地解决了拓扑带来的线性相关编码块的问题。仿真结果表明,以该模型建立的文件分发系统同传统的文件分发系统相比吞吐量提高20%左右,平均下载时间节省了20%左右,提高了文件分发系统的性能。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-15
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
  1.3 论文主要贡献  12-13
  1.4 论文的组织结构  13-15
第二章网络编码及应用方案分析  15-30
  2.1 网络编码概述  15-18
    2.1.1 网络编码理论基础  15-16
    2.1.2 网络编码定义  16-18
    2.1.3 网络编码的网络模型  18
  2.2 网络编码的构造方法  18-22
    2.2.1 确定性网络编码  18-21
    2.2.2 随机网络编码  21-22
  2.3 网络编码的优势  22-26
    2.3.1 吞吐量的提高  23
    2.3.2 改善无线传输能量利用效率  23-25
    2.3.3 增强鲁棒性  25-26
    2.3.4 节省带宽消耗  26
    2.3.5 保证传输安全性  26
  2.4 网络编码的应用方案设计  26-29
    2.4.1 编码节点选取方案  27
    2.4.2 网络编码方案设计  27-28
    2.4.3 网络编码在无线网络的应用方案  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第三章基于遗传算法的网络编码优化  30-51
  3.1 多播网络中编码节点的数目分析  31-32
  3.2 最小化编码节点网络模型  32-34
  3.3 最小化编码点MCN算法  34-42
    3.3.1 简单遗传算法  34-35
    3.3.2 MCN算法描述  35-36
    3.3.3 算法性能评价  36-42
  3.4 多目标的网络编码优化  42-45
    3.4.1 多目标优化问题的定义  42-43
    3.4.2 非支配排序遗传算法(NSGA-II)  43-45
  3.5 基于NSGA-II的多目标网络编码优化  45-49
    3.5.1 MOONC数学描述  45-46
    3.5.2 MOONC网络编码优化算法设计  46-47
    3.5.3 算法评价  47-49
  3.6 本章小结  49-51
第四章结合机会路由的部分网络编码优化  51-73
  4.1 机会路由  52-55
    4.1.1 机会路由概述  52-54
    4.1.2 基于网络编码的机会路由协议MORE  54-55
  4.2 部分网络编码  55-60
    4.2.1 网络编码的延迟分析  55-57
    4.2.2 部分网络编码的基本思想  57-58
    4.2.3 部分网络编码的转发  58-60
  4.3 部分网络编码的能量约束机会路由协议  60-62
    4.3.1 PNCOR节点转发次数计算  60-61
    4.3.2 节点能量消耗模型  61
    4.3.3 ETXEC转发候选集选择策略  61-62
  4.4 PNCOR协议中网络编码的设计  62-66
    4.4.1 数据包格式  62-63
    4.4.2 PNCOR节点缓存格式  63
    4.4.3 源节点发送  63-64
    4.4.4 节点接收  64-66
  4.5 性能评价  66-71
    4.5.1 仿真设计  66-68
    4.5.2 编码信息块大小对网络性能的影响  68-69
    4.5.3 转发机制的评价  69-71
    4.5.4 PNCOR协议性能评价  71
  4.6 本章小结  71-73
第五章基于确定性网络编码的文件分发  73-94
  5.1 问题描述  74-79
    5.1.1 基于网络编码的P2P文件分发系统Avalanche  75-77
    5.1.2 基于网络编码的P2P文件分发中的线性相关问题  77-79
  5.2 分段的确定性网络编码文件分发模型  79-83
    5.2.1 Uniform Network网络结构  79-80
    5.2.2 确定性网络编码  80-82
    5.2.3 分段网络编码  82-83
  5.3 DLNCCD设计  83-88
    5.3.1 Uniform Network建立  84
    5.3.2 节点的管理  84-87
    5.3.3 推式的数据调度策略  87-88
  5.4 性能评价  88-93
    5.4.1 数据块大小对网络性能的影响  89-90
    5.4.2 吞吐量比较  90-91
    5.4.3 平均下载时间比较  91-92
    5.4.4 节点动态变化  92-93
  5.5 本章小结  93-94
第六章总结与展望  94-97
  6.1 本文的主要工作  94-95
  6.2 进一步的工作展望  95-97
参考文献  97-106
发表论文和科研情况  106-107
致谢  107

网络编码关键技术及其应用研究

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