广义线性索引编码研究

Linear index coding (LIC) studies the design of linear network code (LNC) at the sender so as to achieve the goal of utilizing cached packets at the receivers to trade for communication efficiency. With the development of LNC technique, the scenarios that packets in cache and request are coded gradually emerge in communication systems. However, LIC is confined to the scenario where both the cached and requested packets are uncoded, which achieves low communication effciency (since coded packets in cache are not utilized) and does not suit the system stated above. This project studies generalized LIC (GLIC), in which there exist coded packets in receiver's cache, coded packets requests, and coded packets in the sender's cache (all linear). In addition, design of GLIC in data exchange applications are also considered. Firstly, we propose the GLIC framework/definition and mathematically formulate the problem. Secondly, dedicated to GLIC, we design a low-complexity LNC encoding algorithm, theoretically analyze the algorithm's performance. Lastly, we extend the design and performance analysis in GLIC to two data exchange systems under practical erasure environment, including data exchange among users in multi-user system (or among storage nodes in wireless distributed storage system) under centralized control, and data exchange in mobile peer-to-peer system under pure decentralized control, we study the joint design of GLIC and other technique so as to improve communication efficiency. This project extends traditional LIC to GLIC and performs deep investigation, which serves as a theoretical and technical foundation for improving the communication efficiency of practical data exchange systems and for widening application scenarios.

线性索引编码(LIC)研究发送端线性网络编码(LNC)的设计以达到用接收端缓存数据换取通信效率的目的。伴随LNC技术发展，通信系统中逐渐出现缓存及请求数据是编码的情况。然而LIC局限于非编码缓存和请求因而通信效率低(因不利用编码缓存)、且不适用以上系统。 本项目研究接收端缓存且请求编码数据、发送端缓存编码数据(均为线性)的广义LIC(GLIC)及其在数据交换应用中的设计。首先，提出GLIC框架/概念并数学建模。其次，针对GLIC设计低复杂度LNC编码算法，理论分析该算法性能。最后，将GLIC的设计及分析扩展至实际擦除环境中的二个数据交换系统，包括中央控制下多用户间(或无线分布式存储系统中存储节点间)数据交换和纯分布式无线点对点数据交换，研究GLIC与其他技术的联合设计以改善通信效率。 本项目将传统LIC推广到GLIC并深入研究，为提高数据交换系统的通信效率及拓宽应用场景奠定理论和技术基础。

项目背景..线性索引编码(LIC)研究发送端线性网络编码(LNC)的设计以达到用接收端缓存数据换取高通信效率的目的，其中各接收端请求不同数据，因此一般应用场景为Wifi下行通信。主流LIC研究局限于非编码缓存和请求，其问题包括：低通信效率(因不利用编码缓存)、通信场景受限于非编码缓存和请求。..主要研究内容.将以上线性索引编码(LIC)一般化成广义线性索引编码(GLIC)，即缓存及请求均可以是编码数据包。.首先进行GLIC建模，从而拓宽应用场景。这种拓宽保证了发送端的编码设计可直接应用于广播中继信道数据分发中的源节点和中继节点，也可以应用到无线分布式存储及P2P中的数据交互。.随后，进行发送端网络编码的设计，目标是最低发送次数以满足所有用户请求。我们将该问题经过一系列数学变换，变换为线性级复杂度求解问题，并给出求解算法。该算法大大降低了求解复杂度。该设计的算法将复杂度从指数级降低为多项式级别，即从NP难问题降低到可解级别。.再次，将以上设计的发送端编码应用到数据交换设计中。在分布式云存储设计中，在低复杂度解码框架下，利用无线通信天然的物理层叠加技术设计了高通信效率的数据传送机制。在P2P设计中，分二个层面即媒体访问控制层面及信息层面进行发送的算法设计以获取高交换效率。.最后，对项目边缘问题进行了研究。包括云存储云计算卸载问题、可见光通信VLC网络用预编码处理网络内的干扰问题、携能通信中波束成型技术等问题。..重要结果..针对GLIC的低复杂度的编码设计方案已找到。基于该码应用到分布式无线云存储及P2P中的设计方案已完成。..关键数据及科学意义..该工作可明晰多用户环境，包括无线云存储及P2P中网络编码效率与可用存储资源之间的相互作用机理，研究成果的输出可助各类通信网络提升提升通信效率。本项目首次将传统IC推广到GLIC并深入研究，为提高数据交换系统的通信效率及拓宽应用场景奠定理论和技术基础。