王煥磊

摘要：近年來(lái)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，且為加強(qiáng)社會(huì)成員聯(lián)系、提高信息共享效率和促進(jìn)現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)編碼不僅關(guān)系著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)信息的處理效率，而且對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源利用效率的提高也具有重要影響。為了進(jìn)一步提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，該文以網(wǎng)絡(luò)編碼作為研究對(duì)象，以當(dāng)前國(guó)內(nèi)基本普及的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)作為研究依據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線通信中的應(yīng)用展開(kāi)了深入研究。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)編碼；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；通信機(jī)制

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）15-0026-02

對(duì)傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析可知，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的作用僅僅是對(duì)所傳的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)或是轉(zhuǎn)發(fā)，而在網(wǎng)絡(luò)傳遞過(guò)程中所生成的中間數(shù)據(jù)并不會(huì)被網(wǎng)絡(luò)所加工和處理，其只是充當(dāng)中間路由的角色，進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展要求中間節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的加工是有必要產(chǎn)生相關(guān)效益的，而傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)則難以滿足網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)對(duì)中間數(shù)據(jù)加工生成效益的相關(guān)需求，因此，本文通過(guò)引入網(wǎng)絡(luò)編碼，在對(duì)其概念和原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中的應(yīng)用做出了系統(tǒng)的探析，具體研究?jī)?nèi)容如下。

1 網(wǎng)絡(luò)編碼簡(jiǎn)介

1.1網(wǎng)絡(luò)編碼概念

網(wǎng)絡(luò)編碼是將路由和編碼進(jìn)行融合的一類信息交換技術(shù)，該技術(shù)的核心思想為，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)處，對(duì)不同信道所收集的信息進(jìn)行線性或是非線性的處理，然后，將處理后的信息轉(zhuǎn)發(fā)至下游節(jié)點(diǎn)處，幫助用戶獲取相關(guān)信息[1]。需要說(shuō)明的是，在上述過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)編碼充當(dāng)信號(hào)處理器或是編碼器的角色，從而將轉(zhuǎn)化后的信息傳至用戶節(jié)點(diǎn)。

1.2網(wǎng)絡(luò)編碼的工作原理與特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)編碼工作原理如下：通過(guò)將不同的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而形成位數(shù)更小的“痕跡”，當(dāng)被轉(zhuǎn)化后的“痕跡”傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)后，便進(jìn)行演繹還原，由此，則無(wú)需反復(fù)傳輸或?qū)⑷啃畔⑦M(jìn)行復(fù)制，由于痕跡能夠在多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)多條路徑上進(jìn)行反復(fù)傳遞，而后，才被送至目的端點(diǎn)，因此，在確保信息可靠性的同時(shí)，提高了其傳輸?shù)男?。還需說(shuō)明的是，網(wǎng)絡(luò)編碼無(wú)需額外路由或容量，只需要將原來(lái)信息的痕跡進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成位流即可，而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施也能夠較好地支持其進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換[2]。網(wǎng)絡(luò)編碼不僅能夠提升網(wǎng)絡(luò)容量，而且還能夠均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，通過(guò)降低網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的消耗，在提高網(wǎng)絡(luò)資源利用效率的同時(shí)，也使得網(wǎng)絡(luò)的魯棒性得以大幅提高。

2 網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的技術(shù)分析

2.1與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的對(duì)比

對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析可知，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在其中的傳輸需要以路由器為傳輸?shù)幕驹O(shè)備，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)地址，路由器則將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的各個(gè)鏈路當(dāng)中，但由于此過(guò)程中缺乏時(shí)序安排，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鏈路阻塞的情況，使得數(shù)據(jù)在各鏈路傳輸?shù)倪^(guò)程中需要進(jìn)行排隊(duì)等候，從而使網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男蚀蠓档蚚3]。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的出現(xiàn)有效解決的這一問(wèn)題。對(duì)于一個(gè)具有多源接收端的網(wǎng)絡(luò)而言，當(dāng)只對(duì)其中的一個(gè)接收端進(jìn)行考慮時(shí)，對(duì)應(yīng)此接收端將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)傳輸速率，此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)勢(shì)便體現(xiàn)在，當(dāng)全部接收端同時(shí)接收信時(shí)，每個(gè)接收端仍然能夠保持其原來(lái)的數(shù)據(jù)接收速率，而隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，網(wǎng)絡(luò)編碼提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的優(yōu)勢(shì)就愈加明顯，使得數(shù)據(jù)在各個(gè)鏈路傳輸?shù)倪^(guò)程中無(wú)需等候，或等候時(shí)間大幅縮減，有效提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度和效率。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)編碼在通信技術(shù)中應(yīng)用的另一優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在增加網(wǎng)絡(luò)健壯性方面。在網(wǎng)絡(luò)編碼后，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)數(shù)據(jù)包所具有的重要性是相同的，而對(duì)于接收端而言，其僅需獲取足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)包，便可以進(jìn)入到解碼工作環(huán)節(jié)，進(jìn)而從整體上提高通信網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

2.2網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸技術(shù)的安全性

網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的另一方面則體現(xiàn)在其技術(shù)的安全性和可靠性上。傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳播的安全性主要是以消息認(rèn)證碼或者是數(shù)字簽名等辦法為依據(jù)，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)所攜帶的惡意修改程序進(jìn)行檢測(cè)的[4]。而以網(wǎng)絡(luò)編碼為主的通信網(wǎng)絡(luò)，則通過(guò)產(chǎn)生一類數(shù)據(jù)包的所及網(wǎng)絡(luò)編碼檢測(cè)策略對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的安全進(jìn)行檢測(cè)，由于此類方法具有較少的計(jì)算量，且能夠根據(jù)通信控制開(kāi)銷以及檢測(cè)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)編碼的難易程度對(duì)檢測(cè)概率進(jìn)行調(diào)控，從整體上提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。但此種方法對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的支持仍然存在著相關(guān)方面的問(wèn)題，具體體現(xiàn)在，該方法要求接收節(jié)點(diǎn)應(yīng)事先獲取至少一個(gè)未被相關(guān)惡意程序或軟件修改過(guò)的通信數(shù)據(jù)包，且數(shù)據(jù)包的內(nèi)容也不能被黑客等網(wǎng)絡(luò)攻擊者所知曉，因此，此種方法在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，抗網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力較差。

2.3無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中編碼感知的路由協(xié)議

對(duì)現(xiàn)有無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的編碼協(xié)議進(jìn)行分析可知，其大都處于被動(dòng)等待編碼機(jī)會(huì)的狀態(tài)，而編碼協(xié)議的這種被動(dòng)態(tài)勢(shì)使得網(wǎng)絡(luò)編碼性能的發(fā)揮受到了較大的局限，同時(shí)，此種被動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)通信策略的控制方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼吞吐量的維持和增加產(chǎn)生了較大影響。因此，為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)編碼的技術(shù)可行性，則應(yīng)在通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)處盡可能創(chuàng)造出更多的編碼機(jī)會(huì)，以達(dá)到提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量能力的目的[5]。由此，可引入編碼感知路由機(jī)制，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式下的最短傳輸路徑進(jìn)行查找和分析，從而為發(fā)掘數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的編碼機(jī)會(huì)奠定基礎(chǔ)；通過(guò)引入感知路由協(xié)議，創(chuàng)造出數(shù)據(jù)在各節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)程中的編碼機(jī)會(huì)，需要說(shuō)明的是，在感知路由協(xié)議的作用下，雖然數(shù)據(jù)的路徑傳輸將比原來(lái)的最短傳輸路徑多出一個(gè)或數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，但其在各節(jié)點(diǎn)相連的鏈路中所創(chuàng)造的網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會(huì)，將促使網(wǎng)絡(luò)編碼大幅提升通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝?，從而提高?shù)據(jù)傳輸效率，進(jìn)一步滿足人們的通信需求。

3 網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)編碼研究的日益深入，使得該項(xiàng)技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)愈加明顯，而網(wǎng)絡(luò)編碼與其他技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也為有效帶動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)的變革。通過(guò)引入網(wǎng)絡(luò)編碼，進(jìn)而使無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)擁有有線網(wǎng)絡(luò)的組播容量，而網(wǎng)絡(luò)編碼所應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r也使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量大幅提高，在使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)方式發(fā)生變更的同時(shí)，也使得網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅艿玫搅藘?yōu)化。但在產(chǎn)生上述一系列良好結(jié)果的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用也使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式的復(fù)雜性進(jìn)一步加強(qiáng)，如何在對(duì)經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行合理考量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)通信技術(shù)的支持作用已成為通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域需要面對(duì)和解決的主要問(wèn)題。

3.1網(wǎng)絡(luò)編碼同信道編碼的結(jié)合

網(wǎng)絡(luò)編碼同信道編碼技術(shù)相結(jié)合，實(shí)際上就是通過(guò)借助網(wǎng)絡(luò)編碼的冗余信息，以達(dá)到幫助信道編碼提高編碼效率的目的，同時(shí)，通過(guò)借助中繼傳輸?shù)娜哂喽全@取分集增益。在對(duì)前人關(guān)于聯(lián)合編碼的方案進(jìn)行總結(jié)和分析的基礎(chǔ)上，得知網(wǎng)絡(luò)編碼與信道編碼的聯(lián)合編碼技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)技術(shù)方面達(dá)到了良好的指標(biāo)，例如，信道容量、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪芰亢膿p以及誤碼率等，其中，通信網(wǎng)絡(luò)傳輸能量損耗的降低一方面使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目乖胄阅艿玫搅肆己玫奶嵘诺廊萘恳驳玫搅讼鄳?yīng)的擴(kuò)張，另一方面，也使得以電池為主要能源供給的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)[6]。

3.2網(wǎng)絡(luò)編碼同協(xié)作分集技術(shù)的結(jié)合

網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)作分集技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的原理如下：在多用戶的環(huán)境下，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)天線在發(fā)射、接收相關(guān)信息的同時(shí)，也將為其自身的協(xié)作伙伴，即臨近的其他天線傳輸信息，通過(guò)引入前文的編碼感知路由機(jī)制，使通信網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作，此時(shí)，數(shù)據(jù)信息的全部傳輸過(guò)程便形成了虛擬的天線系統(tǒng)，由此，各個(gè)天線至今便獲得了比原來(lái)更多的分集增益與網(wǎng)絡(luò)編碼增益，從而確保網(wǎng)絡(luò)以最大流輸出、輸出相關(guān)通信數(shù)據(jù)信息，有效提高通信效率和質(zhì)量[7]。還需說(shuō)明的是，在數(shù)據(jù)傳輸寫(xiě)作的過(guò)程中，為了進(jìn)一步提高通信數(shù)據(jù)的輸出速率，可以在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)）以及終端節(jié)點(diǎn)處安置中繼器，從而確保無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有良好的抗衰弱性能，由此提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。

4 網(wǎng)絡(luò)編碼在通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

為了進(jìn)一步確保網(wǎng)絡(luò)編碼在通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的高效性和安全性，在將其應(yīng)用到通信網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，應(yīng)注意以下幾方面的問(wèn)題：

4.1算法設(shè)計(jì)

就現(xiàn)階段而言，網(wǎng)絡(luò)編碼大致可分為確定性與隨機(jī)性兩種編碼方案，且分別適用于不同的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)當(dāng)中。對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，主要以簡(jiǎn)單的確定算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼；而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，則需要采取隨機(jī)編碼機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼。需要說(shuō)明的是，對(duì)于隨機(jī)編碼而言，信息成功傳輸?shù)母怕适请S著其符號(hào)集的增加而增加的，但符號(hào)集的增加會(huì)使得數(shù)據(jù)報(bào)頭的負(fù)擔(dān)也相應(yīng)地增加。因此，在對(duì)符號(hào)集的大小進(jìn)行選取和確定時(shí)，需要對(duì)多種因素進(jìn)行權(quán)衡，如節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等，從而確定出最為合理的符號(hào)集，確保通信信息的順利傳輸。

4.2復(fù)雜度分析

對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行分析可知，其所涉及的數(shù)學(xué)計(jì)算量較為龐大，且計(jì)算復(fù)雜度較高。對(duì)于上述編碼方案中的確定性方案而言，由于其所需的符號(hào)集較小，故編碼的復(fù)雜程度較低，但通常需要中心節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行集中控制以實(shí)現(xiàn)通信信息的順利傳輸；而對(duì)于隨機(jī)性網(wǎng)絡(luò)編碼而言，其所需符號(hào)集較大，且各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，所需的系數(shù)向量也將占據(jù)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬。因此，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼前，應(yīng)對(duì)影響其復(fù)雜度的因素如符號(hào)集大小、節(jié)點(diǎn)計(jì)算難易程度以及網(wǎng)絡(luò)編碼方案等進(jìn)行綜合分析，從而確保網(wǎng)絡(luò)編碼的順利進(jìn)行，并提高無(wú)線通信的質(zhì)量和效率。

5 結(jié)論

本文以網(wǎng)絡(luò)編碼在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用作為主要研究?jī)?nèi)容，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼的概念和基本原理進(jìn)行分析，在結(jié)合其相關(guān)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從其與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的對(duì)比以及技術(shù)本身的安全性和可靠性與編碼感知路由協(xié)議引入的角度出發(fā)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的技術(shù)展開(kāi)分析；又從網(wǎng)絡(luò)編碼同信道編碼和協(xié)作分集技術(shù)結(jié)合等方面對(duì)其在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用做出了系統(tǒng)的剖析。研究結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)編碼在通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的應(yīng)用能夠有效提高通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩W(wǎng)絡(luò)編碼同其他相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和協(xié)議的結(jié)合應(yīng)用，則能夠在確保通信網(wǎng)絡(luò)安全、可靠的基礎(chǔ)上，增加網(wǎng)絡(luò)的分集增益，使通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用取得良好的經(jīng)濟(jì)性。

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