基于網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的應(yīng)用分析

劉俊輝，李 娜

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息工程系,河南鄭州,450011)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)編碼的工作原理是把不同的信息通過運(yùn)算轉(zhuǎn)化成新信息，新信息可以在多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)間的多條路徑上反復(fù)傳遞，最終被送往接收節(jié)點(diǎn)，然后在接收節(jié)點(diǎn)演繹還原。不需額外容量和路由，只需把新信息轉(zhuǎn)換成位流即可。

1 網(wǎng)絡(luò)編碼工作原理

著名的“蝴蝶網(wǎng)絡(luò)”(Butterfly Network)模型闡述了網(wǎng)絡(luò)編碼的工作原理。如圖1所示的“單信源二信宿”蝴蝶網(wǎng)絡(luò)，設(shè)各個(gè)鏈路容量為1，S是信源節(jié)點(diǎn)，Y和Z是信宿節(jié)點(diǎn)，其余為中間節(jié)點(diǎn)。根據(jù)“最大流最小割”定理，該多播的最大理論傳輸容量為2，即理論上信宿Y和Z能夠同時(shí)收到信源S發(fā)出的2個(gè)單位的信息，也就是說能同時(shí)收到b1和b2。圖1(a)表示的是傳統(tǒng)的路由傳輸方式，節(jié)點(diǎn)W執(zhí)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)操作。假定W轉(zhuǎn)發(fā)信息b1，則鏈路WX、XY和XZ上傳輸?shù)男畔⒕鶠閎1，雖然信宿Z收到b1和b2，但信宿Y卻只能收到b1 (同時(shí)收到一個(gè)多余的b1)，因此信宿Y和Z無法同時(shí)收到b1和b2，該多播不能實(shí)現(xiàn)最大傳輸容量。

圖1 “單信源二信宿”蝴蝶網(wǎng)絡(luò)

圖1(b)表示的是網(wǎng)絡(luò)編碼方法，節(jié)點(diǎn)W對(duì)輸入的信息進(jìn)行模二加操作，然后將操作結(jié)果發(fā)送至輸出鏈路WX，然后又通過鏈路XY和XZ，最終達(dá)到信宿Y和Z。Y收到b1和后，通過譯碼操作就能解出b2，因此，信宿Y同時(shí)收到了b1和b2。同理，通過譯碼操作，信宿Z也同時(shí)收到b1和b2。由此，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多播實(shí)現(xiàn)了理論上的最大傳輸容量。可見，網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想是：具備編碼條件的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(比如該節(jié)點(diǎn)的入度至少為2，如圖1中的節(jié)點(diǎn)W就具備編碼條件，節(jié)點(diǎn)X則不具備編碼條件)對(duì)接收到的信息進(jìn)行一定方式的處理(編碼) ，然后傳輸給下一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，收到消息的下一級(jí)節(jié)點(diǎn)如果具備編碼條件，又對(duì)其接收的信息按照同樣的方式進(jìn)行處理和傳輸，如此反復(fù)，直到所有經(jīng)過處理后的信息都匯聚到信宿節(jié)點(diǎn)為止。最后，在信宿節(jié)點(diǎn)，通過逆過程的操作(譯碼)，即可譯出信源發(fā)送的原始信息。網(wǎng)絡(luò)編碼是發(fā)生在域Fq上的操作,如果域Fq無限大，則運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)編碼的多播傳輸能達(dá)到理論上的最大傳輸容量等于各信宿節(jié)點(diǎn)的最大流的最小值，

即 h= min max flow(ti)，ti∈ T。

網(wǎng)絡(luò)編碼可以分為經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)編碼和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼兩大類。在一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中，如果允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)其輸入信息進(jìn)行線性編碼，則可以使網(wǎng)絡(luò)中單播或組播的信息傳輸達(dá)到著名的最大流上屆。經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)編碼中，局部編碼核和與之對(duì)應(yīng)的全局編碼核是事先給定的，信息數(shù)據(jù)作為向量從發(fā)點(diǎn)發(fā)出；中間節(jié)點(diǎn)按照給定的局部編碼核對(duì)接收到的若干向量作線性編碼；當(dāng)收點(diǎn)接收到足夠的向量后，則根據(jù)全局編碼何解出原始數(shù)據(jù)向量。隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，沒有事先給定全局編碼核：信息向量由發(fā)點(diǎn)出發(fā)到達(dá)中間節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取局部編碼核對(duì)輸入向量作線性編碼，并由該局部編碼和計(jì)算出相應(yīng)的全局編碼核，然后將相應(yīng)的全局編碼核附在每個(gè)數(shù)據(jù)包中進(jìn)行發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)中無錯(cuò)誤時(shí)，收點(diǎn)在收到足夠多的數(shù)據(jù)包后，提取出全局編碼核，并由其解得原始數(shù)據(jù)包。

2 網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，采用網(wǎng)絡(luò)編碼可以比路由具有更高的吞吐量；

（2）改善網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可有效的利用除多播樹路徑以外的其他網(wǎng)絡(luò)路徑；

（3）提高帶寬利用率；

（4）節(jié)省無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗。

2.2 網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的缺點(diǎn)

（1）復(fù)雜性增大。中間節(jié)點(diǎn)參與編解碼，與路由的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)相比，增加了CPU計(jì)算額外負(fù)擔(dān)，信宿解碼的復(fù)雜性為O，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)編碼同步，需要增加緩存消耗，而且無論是解碼還是緩存，都需要延長(zhǎng)信宿解碼的時(shí)間，對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用有較大的影響。

（2）安全性問題凸顯。無線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)編碼，即線性網(wǎng)絡(luò)編碼，線性多播說明了凡是最大流量大于等于信源消息數(shù)量的節(jié)點(diǎn)都可以利用網(wǎng)絡(luò)編碼收到所有信源消息，線性廣播說明每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身的接入帶寬收到相應(yīng)的消息，相當(dāng)于多速率接受；線性擴(kuò)散則說明每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅多速率接受，而且保證信宿節(jié)點(diǎn)以互補(bǔ)的形式接受消息，而一般線性網(wǎng)絡(luò)編碼則要求每個(gè)需要線性獨(dú)立的地方都必須線性獨(dú)立，以保證最有效的傳輸；有環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)編碼，即卷積網(wǎng)絡(luò)編碼，卷積多播，卷積廣播，卷積擴(kuò)散，卷積網(wǎng)絡(luò)碼。

3 網(wǎng)絡(luò)編碼與路由的比較

3.1 網(wǎng)絡(luò)編碼性能比路由優(yōu)越

拓?fù)洌河邢驁D無環(huán)圖，有向圖有環(huán)圖和無向圖。傳輸方式：?jiǎn)尾?、廣播、多播、多源多播。會(huì)話個(gè)數(shù)：?jiǎn)螘?huì)話、多會(huì)話。分層：物理層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層（覆蓋層）。

（1）基于網(wǎng)絡(luò)層比較：有向無環(huán)圖、無向圖、有向有環(huán)圖。

（2）基于應(yīng)用層的 比較：在應(yīng)用層，或者稱為覆蓋層，采用單播實(shí)現(xiàn)多播和廣播，利用應(yīng)用層上的單播來間接實(shí)現(xiàn)IP層的多播和廣播。由于實(shí)際上是單播，所以可以歸結(jié)為單會(huì)話單播的情形。

我便耐心地給這兩位對(duì)足球看上去不怎么感興趣的哥們補(bǔ)課，從荷蘭隊(duì)的三劍客說到德國(guó)戰(zhàn)車，從西班牙斗牛士說到意大利綠茵風(fēng)云，侃巴喬、范巴斯滕、克林斯曼、貝克漢姆。一個(gè)人興致勃勃地說了半天，仍無人插口，我只好知趣地閉上了嘴，繼續(xù)看我的球賽。要知道，在學(xué)校與陌生人熟悉最快的方式就是侃足球，一侃氣氛就會(huì)熱烈了。

（3）基于物理層的比較：[Physical Layer network coding]提出了另一種多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼PLNC（ Physical Layer network coding），充分利用了無線信道的廣播特性，引入合適的機(jī)制，在物理層上利用同時(shí)到達(dá)的電磁波本身具備的加性特點(diǎn)進(jìn)行類似于網(wǎng)絡(luò)的編碼。PLNC的吞吐量與采用傳網(wǎng)絡(luò)編碼和不采用網(wǎng)絡(luò)編碼相比可以達(dá)到50%-100%的增加。

網(wǎng)絡(luò)編碼的主要思想既是針對(duì)確定的編碼調(diào)制方案找到相應(yīng)的解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)使得物理層電磁波疊加可以隱射到網(wǎng)絡(luò)層比特流的疊加編碼。網(wǎng)絡(luò)編碼可看成是路由的超集。

4 網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的應(yīng)用

4.1 網(wǎng)絡(luò)編碼在無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以有效減輕網(wǎng)絡(luò)通信的負(fù)擔(dān)，避免資源的無謂浪費(fèi)。無論有多少個(gè)目標(biāo)地址，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何一條鏈路上只傳送單一的數(shù)據(jù)包。服務(wù)器只需要發(fā)出一個(gè)流，然后由網(wǎng)絡(luò)中的路由器或交換器同時(shí)復(fù)制出n個(gè)流。在網(wǎng)絡(luò)交換中，信息交換的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間可以由一個(gè)大的距離隔開。而交換，通常是指在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的合作，是基于路由協(xié)議的，而交換只是一個(gè)功能單一的設(shè)備，是基于轉(zhuǎn)發(fā)表，交換結(jié)構(gòu)和調(diào)度算法的。單速率組播的有點(diǎn)是，可以較快地響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞并精確地控制發(fā)送速率。但大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，由于但速率組播以最慢接收者的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，雖然對(duì)具有較高帶寬的接收者是不公平的。提高發(fā)送速率固然固然能夠增加快接收者的帶寬利用率。

4.2 網(wǎng)絡(luò)編碼在協(xié)作分集中的應(yīng)用

無線信道具有的多經(jīng)衰落特性是阻礙信道容量增加，影響無線通信傳輸速率與質(zhì)量的重要瓶頸，如何克服多經(jīng)效應(yīng)便成為提供通信質(zhì)量要解決的首要問題。分集技術(shù)是抗多經(jīng)衰落的有效方式，常見的分集方式主要有時(shí)間分集、頻率分集合空間分集。

空間分集技術(shù)從不同的位置（天線）發(fā)送信號(hào)，在接收端得到經(jīng)過獨(dú)立衰落的多個(gè)信號(hào)副本，可以有效消除多經(jīng)衰落的影響?？臻g分集不需要占用額外的時(shí)間和頻帶資源，并且可以和其他分集方式相結(jié)合，得到了廣泛的關(guān)注。近些年來提出的多輸入多輸出（MIMO）天線技術(shù)，通過在接收端和發(fā)送端同時(shí)安置多個(gè)天線，形成MIMO信道結(jié)構(gòu)，從而將傳輸通信系統(tǒng)中存在的多經(jīng)因素變成對(duì)用戶通信性能有理的因素，充分利用空域資源，大幅度提高了信道容量。

5 網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的研究

網(wǎng)絡(luò)編碼不僅僅是網(wǎng)絡(luò)層的問題，實(shí)際上物理層的問題也值得研究。我那個(gè)落編碼分散了信息，其編譯碼特性增加了信息破譯難度，從而改善了系統(tǒng)安全性。

6 結(jié)語

Network Coding 的基本思想是允許網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)參與編碼，該理論具有達(dá)到最大容量的優(yōu)勢(shì)。劃時(shí)代的意義在于：推翻了獨(dú)立比特（commodity）不能再被壓縮的經(jīng)典結(jié)論，指出網(wǎng)絡(luò)信息流（Network Information Flow）可以 被壓縮，從而進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

[1]《network coding theory》2006 R.W.Yeung,S.-Y.R.Li,N.Cai,and Z.Zhang.

[2]《network coding ：an introduction》2007 Tracey Ho,Desmond S.Lun

[3]黃佳慶,王帥,陳文清.網(wǎng)絡(luò)編碼在P2P網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].中興通訊技術(shù),2009,15(1):37-39.

[4]孫建鎮(zhèn).基于鏈路穩(wěn)定性及網(wǎng)絡(luò)編碼的無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2011.