无线多跳网络中基于网络编码的新型汇播机制研究

Network coding is a promising technology which can improve the network throughput and reduce the energy consumption. However, to the best of our knowledge, the issues of network coding for convergecast in wireless multi-hop networks still remain open. Furthermore, most of current works do not take it into consideration that the widely used periodic duty-cycle mechanism would impact negative effects on network coding opportunities. To this end, we attempt to investigate the mechanism of how the network coding can benefit the wireless multi-hop networks during convergecasting, and explore the network coding opportunities and gains as far as possible by exploiting the ubiquitous convergent structures organized during convergecasting in the network. To eliminate the negative effects on network coding opportunity caused by the periodic duty-cycle mechanism, a brand new conception of loose-synchronization which can be used to schedule the active/sleep cycle among neighboring nodes will be studied. And the proposed duty-cycle mechanism and network-coding-based convergecast scheme will be jointly optimized by means of cross-layer cooperation. Finally, a holonomic network-coding-aided convergecast solution will be put forward. Our work will offer a novel framework for high-performance convergecast in wireless multi-hop networks. And the achievements are expected to considerably improve the throughput and energy efficiency. It is believed that our work has important theoretical significance and practical value.

网络编码技术能够大幅提高无线网络的吞吐量，并降低能耗。但现有的工作并没有针对无线多跳网络的汇播而提出新的网络编码理论和方案，也没有考虑无线多跳网络中广泛应用的周期性占空比机制对网络编码机会所造成的不利影响。为此，本课题将充分利用无线多跳网络汇播过程中普遍存在的汇聚型结构，寻求网络编码机会和增益，研究基于网络编码的新型无线多跳网络汇播机制。同时，为了协调网络编码与周期性占空比机制之间的矛盾，本课题拟研究节点间松散同步的工作/睡眠时序关系，并将采用跨层协作的方式，对基于网络编码的无线多跳网汇播机制和占空比机制进行联合优化。最终，将这些算法与机制进行整合，提出一套完整的基于网络编码的无线多跳网络汇播解决方案。本课题的研究将为无线多跳网络的高效汇播机制提供一种崭新的思路。研究成果将有效提升无线网络汇播的吞吐量和能量有效性，具有重要的理论意义和实际价值。

汇播是无线网路最常见的通信方式之一。如何克服无线信道恶劣的传输特性，在频谱资源和能量都受限的情况下，提高汇播的效率、可靠性，以及能效，是非常重要的命题。本项目对无线网络中基于网络编码的新型汇播机制进行了深入研究。主要做了如下几点工作。.(1) 对基于线性网络编码的无线网络多跳汇播的性能进行了理论分析。证明了通过在汇播树中应用线性网络编码，可以在无线网络多跳汇播过程中获得可靠性增益。定义了汇播树中能够执行一次完整的线性网络编码的基本方案。然后从理论上分析了线性网络编码对无线网络多跳汇播性能的影响，定量分析了在多跳汇播中引入线性网络编码的合理场景，并通过实际网络实验验证了我们的理论分析结果。.(2) 将多用户线性网络编码协作引入无线网络的单跳汇播，研究适用于无线网络单跳汇播的多用户线性网络编码协作。推导了N+1 (N>0)时隙M (M>1)用户线性网络编码协作系统紧近似中断概率与分集性能。研究结果表明，线性网络编码协作系统的分集阶数要明显高于相同用户数的解码转发协作系统，且在高信噪比区域，线性网络编码协作系统的中断概率大幅低于相同用户数的解码转发协作系统。.(3) 提出了一种新的基于迭代的多用户多轮线性网络编码协作方案：M2-LNCC。M2-LNCC突破了现有网络编码协作方案中网络编码协作仅仅局限于广播阶段所能正确解码的信息的限制，而将其扩展到协作阶段的每一个时隙。研究结果表明，对于瑞利衰落信道，M用户N+1时隙的M2-LNCC系统能够进一步提高了系统的分集阶数。.(4) 研究无线网络编码和周期性“工作/休眠”机制的内在联系，引入了松散同步的思想，提出了一种异步的高性能MAC协议。.(5) 对喷泉码的编解码技术进行了研究。本项目提出一种新的规则变量节点度LT Codes编码方法，显著降低了编码时间，并加快了误符号率的收敛速度，降低了传输开销。同时，通过减少传统SRSD度分布函数取整所带来的度偏移，限制度k的概率分布的大小，得到修正的I-SRSD度分布函数，有效减少译码符号数量需求。.(6) 对无线多跳网络的网络编码方案进行了研究工作，分别提出了基于网络编码的高吞吐量编码感知机会路由协议(HCOR)和应用于易失无线网络的鲁棒流间网络编码机制。