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基于网络编码在无线网络通信的应用

发布时间: 2018-11-09 点击量: 242
引言 无线网络作为一种新型的便捷性网络资源,正在日益普及,尤其是在当前网络技术快速发展的今天显得尤为重要。 在无线通信网络技术应用中,网络编码是当前通信应用中的关键技术之一,网络编码在网络节点处对网络信息进行有效处理,经处理后的数据进行转存或传输,其实质都是都过对传输数据编码操作实现的,在一定程度上节省了网络资源消耗,提高频谱资源利用率,网络编码在频谱资源有限的条件下,能发送更多的数据传输,大大提高了通信信道的传输容量,节省了网络宽带资源等优点。由于无线网络数据传输的特殊性,使得网络编码改善网络性能,优化结构和协议上进行了新的突破,具有很大应用前景。 1.网络编码 1.1网络编码简介 传统的通信网络中,网络节点所起到的作用只是对所传网络数据进行存储或转发功能,对中间网络数据不做任何处理和加工,只是作为中间路由的责任,只做中间转发器的角色。一直以来人们普遍认为中间节点对于网络数据加工不会产生其他效益,直到2000年,R.Ahlswede等人在IEEE trans-IT上发表了一篇题为“网络信息流”的文章,提出了网络编码的概念,彻底改观了这一传统观点。 从数据通信理论观点研究,节点不仅仅只做存储转发功能,可以对收到的相关信息进行线性或非线性编码操作,经过处理后的编码数据再直接传输出去,中间起着编码信息的作用,网络编码正是根据这一思想应运而生,在网络目标末端接收节点上,再把编码信息重新编码译出,然后发送给最终的接收端。 1.2工作原理 网络编码融合了路由和编码两种信息技术的结合,其核心思想是对网络数据传输过程中的各个节点上的信息进行处理,然后传输给下游节点,中间节点扮演者编码或处理信号的角色,然后在最后节点处对网络数据进行演绎还原,中间减少传输复制过程,大大提高了传输效率。 1.3网络编码优点 (1)使组播传输速率达到最小割最大流决定的网络容量的上限。 (2)节省网络带宽资源消耗。 (3)均衡网络负载。 (4)提高网络鲁棒性。 2.网络编码应用无线网络技术分析 2.1网络编码技术与传统网络的相比 传统的网络数据传输需要经过路由器进行传输,路由器将依照网络目标地址将数据包向各个链路传输,由于缺乏时序的安排,常常会出现链路堵塞现象,需要排队等候,将大大制约了网络传输的效率。网络编码技术的出现有效解决了传统的计算机网络传输过程中路由器不能及时发送数据的问题,数据拥塞现象得到及时解决,从而有效提高了数据的传输速度。 2.2网络编码传输更具有安全性 网络编码在无线网络安全应用方面具有一定可靠性,在无线网络数据传播过程中,传统的检测方法是基于消息认证码或数字签名的方式对数据包的恶意修改进行检测。 基于网络编码产生了一种数据包的随机网络编码检测策略,这种方法计算量小,而且检测概率可以根据通信控制开销、网络编码复杂程度和检测时间这些因素进行调控。这种方法亦存在不足现象,主要是要求接收节点需要预先获得至少一个没有被恶意修改过的数据包,并且数据包的内容不能被攻击者知晓,在数据传输过程抗攻击性效果很差。 2.3无线网络中的编码感知路由协议 当前的无线网络中的编码协议,基本上都是被动的等待编码机会,在网络传输中处于被动状态,大大影响了网络编码性能的发挥和利用,这种被动的策略控制方式一定程度上限制了网络编码吞吐量的能力,为进一步提高网络编码的技术特性,需在节点上创造出更多的编码机会,从而有效提高整个无线网络的吞吐量能力,体现出网络编码的技术优势特色。 如图1编码感知路由机制所示,有两个网络流,分别为从A到E以及从F到A。传统的数据传输方式采用(a)最短路径路由方式传输,可知其路径传输方式为A→B→C→E以及F→D→B→A,数据传输过程中无编码机会。如果传输路径选择(b)编码感知路由机制则出现了编码机会,F到A的数据传输路径为F→E→C→B→A,尽管在传输路径上比(a)多了一个节点,在节点B和C处创造了编码机会,可有效提高网络传输的吞吐量。 2.4网络编码应用于无线网络的优势 网络编码理论在无线网络与有线网络中的实际应用有着显著的区别,主要归结于无线网络结构的特殊性。网络编码非常适宜于无线网络环境领域的应用,网络编码正是针对无线链路的不可靠性和物理层广播特性,可解决传统网络路由、跨层设计等技术无法解决的问题,进一步推广了网络编码在无线网络领域的广泛应用。 网络编码具有路由和编码相结合的技术特色,不仅是链路中的节点具有存储和转发功能,同时使网络节点具有编码的作用,可以解决传统路由、跨层设计等技术无法解决的问题,提高网络性能。和传统网络编码机制相比,无线网络中的网络编码能够大大提升单播流的吞吐量,主要得益于无线介质的广播特性。 3.网络编码在无线网络的应用 随之网络编码的研究,网络编码的优点显而易见,网络编码通过与其他应用技术相结合的创新应用给当前无线网络技术带来前所未有的变化,网络编码应用目的是达到有线网络的组播容量,从网络编码的应用技术分析,从其应用领域的发展状况表明网络编码不仅提高了现有网络的吞吐量,并且还改变了网络结构及协议的设计方法,优化了网络传输性能,网络编码的应用很大程度上提高了网络性能,相应的网络设计及可行性实现的复杂性也随之增加,如何在考虑经济成本的情况下实现现实网络环境编码是将来更深入的研究方向。 3.1网络编码与信道编译码的结合应用 网络编码与信道的编译码技术相结合的核心实质是利用网络编码的冗余信息协助信道编码,利用中继传输的冗余度来获得分集增,通过对相关联合编码的几个方案分析,研究结果显示联合编码在多种指标上的充分体现了其固有的性能优势,如信道容量、能量消耗、误码率等方面体现的较为完美。 可以降低无线网络中的能量消耗,这对以电池为能源供给的无线网络来说,是至关重要的;从而获得好的抗噪性能,达到最大的信道容量,有效降低了编码复杂度以及由信道噪声带来的失真。 3.2网络编码与协作分集技术的结合应用 网络编码与协作分集技术相互结合是在多用户环境下,每一个天线用户在完成自身信息的同时也为其自身的协作伙伴传输信息,通过编码感知路由机制路径上的节点相互协作,整个信息传输过程形成虚拟天线系统,这样相互之间就获得较多的分集增益,从一定程度上克服了信道衰落,在协作分集的基础上进行网络编码可以同时获得分集增益和网络编码增益。 实现以网络的最大流传输信息。在传输数据协作过程中,为提高数据传输速率,可在数据传输的节点和终端节点放置中继器,可有效改善无线通信系统抗衰落性能,大大提高网络资源利用率。 4.结语 网络编码是近年来新兴起的一个研究领域,正在引起更多人们的关注,网络编码在传输速率、负载消耗、负载均衡、鲁棒性等方面带来的优势有待于进一步深入研究,由于无线通信网的网络架构复杂多变性,数据包在传输过程中容易丢失,网络编码技术的出现可作为是一种协作通信的模式口,与其他技术相结合可以优化网络性能,改善网络结构,促进网络协议发展。 总之网络编码技术的应用在无线网络数据传输中起到了关键作用,具有很广阔的应用前景。
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