導(dǎo)語(yǔ)：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)編碼科技一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)引進(jìn)

在2000年，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)最初被提出來(lái)用于提高有線網(wǎng)絡(luò)中的多播（單點(diǎn)到多點(diǎn)）傳輸速率，使其達(dá)到多播的最大流限。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)包傳送方式中，中間節(jié)點(diǎn)僅僅扮演著轉(zhuǎn)發(fā)器角色，它們對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā)而不對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容做任何處理。而網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)拓展了傳統(tǒng)的包傳送技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)編碼是一種融合了編碼和轉(zhuǎn)發(fā)的信息交換技術(shù)。使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，中間節(jié)點(diǎn)扮演了編碼器的角色，來(lái)完成編碼和轉(zhuǎn)發(fā)雙重功能。自提出以后，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)便引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的廣泛關(guān)住。

最初幾年，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)應(yīng)用的研究主要集中于有線通信網(wǎng)絡(luò)。已有的研究成果表明：網(wǎng)絡(luò)編碼可以在有線網(wǎng)絡(luò)中不同的通信場(chǎng)景中帶來(lái)好處。跟傳統(tǒng)的包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)相比，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)能有效地提高多播傳輸速率，或者有效地降低多播帶寬消耗。Gkansidis等人研究了網(wǎng)絡(luò)編碼在大數(shù)據(jù)分發(fā)中的應(yīng)用問(wèn)題，不僅節(jié)約了下載時(shí)間，還增強(qiáng)了P2P通信系統(tǒng)的魯棒性。此外，網(wǎng)絡(luò)編碼還在糾錯(cuò)、鏈路失敗下的數(shù)據(jù)恢復(fù)等方面有著潛在的應(yīng)用。最近幾年，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)里的應(yīng)用也開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。研究成果表明，由于無(wú)線鏈路的不可靠性和物理層廣播特性非常適合采用網(wǎng)絡(luò)編碼，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以在無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)、分布式無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中帶來(lái)非常可觀的性能改善。

網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中所能帶來(lái)的好處可以用圖1中的簡(jiǎn)單例子來(lái)說(shuō)明。圖中，節(jié)點(diǎn)A要發(fā)送數(shù)據(jù)包P1到節(jié)點(diǎn)B，節(jié)點(diǎn)B要發(fā)送同樣大小的數(shù)據(jù)包P2到節(jié)點(diǎn)A。A和B不在相互的通信范圍內(nèi)，必須借助于節(jié)點(diǎn)R來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)。如果用傳統(tǒng)的發(fā)送方式，總共需要4次發(fā)送來(lái)完成P1和P2的傳送。如果采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，可以先讓節(jié)點(diǎn)A把P1發(fā)送到R和B把P2發(fā)送到R，然后R把P1和P2逐個(gè)比特異或后得到編碼包P1P2并且發(fā)送（物理層廣播）出去。A接收到P1P2后，通過(guò)把P1P2和P1異或得到P2，同理B也得到P1。

因此總共只需要3次發(fā)送就完成P1和P2的傳送，從而提高傳送效率。接下來(lái)討論網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)如何在無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)、分布式無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中帶來(lái)性能提高，指出存在的一些問(wèn)題，并討論可能的解決方法。

2網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用

無(wú)線局域網(wǎng)已經(jīng)被廣泛部署在各種地方，比如說(shuō)辦公樓、大學(xué)校園、機(jī)場(chǎng)等等。由于無(wú)線局域網(wǎng)中無(wú)線鏈路內(nèi)在的高丟包性，獲得高傳輸效率是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以用于無(wú)線局域網(wǎng)中以顯著提高傳輸效率。無(wú)線局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)編碼主要思想是：在無(wú)線接入點(diǎn)，不像傳統(tǒng)的協(xié)議里那樣不同的丟包被分開(kāi)重傳，幾個(gè)（有著不同接收節(jié)點(diǎn)的）丟包可以組合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)一次發(fā)送就恢復(fù)多個(gè)丟包。以圖2里的無(wú)線局域網(wǎng)為例來(lái)說(shuō)明該思想。在這個(gè)例子中，接入點(diǎn)要分別發(fā)送P1和P2到節(jié)點(diǎn)A和B。當(dāng)發(fā)送P1時(shí)，A沒(méi)有正確接收到此包，而B(niǎo)卻正確接收到此包；當(dāng)發(fā)送P2時(shí)，B沒(méi)有正確接收到此包，而A卻正確接收到此包。

在這種情況下，接入節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送編碼包P1P2。

如果A收到該編碼包，則可以通過(guò)把P1P2和P2異或來(lái)恢復(fù)出P1。同樣，如果B收到該編碼包，則可以通過(guò)把P1P2和P1異或來(lái)恢復(fù)出P2。這樣一來(lái)，一次發(fā)送就能成功傳輸2個(gè)丟包，從而將重傳效率提高了一倍。為了設(shè)計(jì)出實(shí)際可行的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)發(fā)送協(xié)議，有兩個(gè)重要的方面需要進(jìn)一步考慮：（1）媒體接入控制（MAC）協(xié)議的設(shè)計(jì)目前的無(wú)線局域網(wǎng)工作模式下，當(dāng)無(wú)線接入點(diǎn)要給某個(gè)用戶發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，通過(guò)基于點(diǎn)到點(diǎn)連接的MAC協(xié)議來(lái)獲取發(fā)送機(jī)會(huì)。當(dāng)采用網(wǎng)絡(luò)編碼后，由于一個(gè)編碼包有好幾個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，基于點(diǎn)到點(diǎn)連接的MAC協(xié)議已經(jīng)不能再用于此種場(chǎng)合。因此有必要設(shè)計(jì)新的MAC協(xié)議。

一種簡(jiǎn)單的方案是接入節(jié)點(diǎn)采用廣播的方式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而讓每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)都接收編碼包。

這種方案的缺點(diǎn)是那些不需要此編碼包的接收節(jié)點(diǎn)會(huì)由于接收此包而浪費(fèi)能量。更合理的方案是設(shè)計(jì)能夠建立從接入節(jié)點(diǎn)到多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)連接的MAC協(xié)議，來(lái)保證僅僅有必要的接收節(jié)點(diǎn)來(lái)接收編碼包。

（2）高效編碼算法的設(shè)計(jì)當(dāng)有很多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，不同的編碼包（即有不同接收節(jié)點(diǎn)集合）會(huì)有不同的性能提高。因此，有必要明確編碼包好壞的合理衡量方法以及設(shè)計(jì)高效編碼算法來(lái)找出較好的編碼包。

合理的編碼包好壞衡量方法應(yīng)該綜合考慮到各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)處已經(jīng)接收的包，各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)處的丟包率和各個(gè)流的包大小。而高效的編碼算法可以從最優(yōu)化理論的角度來(lái)研究，設(shè)計(jì)查找最優(yōu)編碼的低復(fù)雜度算法，或者設(shè)計(jì)低復(fù)雜度啟發(fā)式算法來(lái)查找較好（但不一定最優(yōu)）的編碼。

3網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)頻譜效率提出了更高的要求，在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)中引入中繼的協(xié)作式通信是實(shí)現(xiàn)高速率高覆蓋的非常可行的方案之一。無(wú)線中繼的基本思想是使用中繼節(jié)點(diǎn)將基站發(fā)送的信號(hào)處理后再發(fā)送給用戶，或者將用戶發(fā)送的信號(hào)處理后再發(fā)給基站，從而擴(kuò)展覆蓋范圍和獲取分集增益。傳統(tǒng)的無(wú)線中繼技術(shù)里，無(wú)線中繼對(duì)不同的信號(hào)（數(shù)據(jù)包）進(jìn)行分開(kāi)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。具有網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線中繼可以將多個(gè)信號(hào)進(jìn)行編碼后通過(guò)一次發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)的中繼，從而進(jìn)一步提高頻譜效率。

以圖3中的無(wú)線中繼為例，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)編碼所能帶來(lái)的性能提高。當(dāng)用戶A發(fā)送信號(hào)P1時(shí)，一方面基站直接接收該信號(hào)，另一方面中繼把接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給基站。同理，當(dāng)用戶B發(fā)送信號(hào)P2時(shí)，中繼也接收此信號(hào)并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在傳統(tǒng)的中繼技術(shù)中，中繼點(diǎn)對(duì)接收的P1和P2分別進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，總共需要2次轉(zhuǎn)發(fā)。因此網(wǎng)絡(luò)吞吐量為1/2符號(hào)/時(shí)隙。由于目的節(jié)點(diǎn)兩次接收到信息P1和P2，該中繼傳輸方案獲得了2階分集增益。如果具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)編碼包P1P2中繼節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)幫助A和B中繼信號(hào)。在這種情況下，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的吞吐量為2/3符號(hào)/時(shí)隙且同樣也獲得了2階分集增益，從而獲得更高的頻譜效率。在基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線中繼中，有幾個(gè)重要問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。首先，目前為止已經(jīng)提出來(lái)許多可行的中繼方案（有著不同的中繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理方式、發(fā)送功率確定規(guī)則等），如何將這些具體的中繼方案與網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)結(jié)合起來(lái)需要進(jìn)行大量的研究。其次，由于中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的是編碼的包，目前已有的中繼節(jié)點(diǎn)最佳發(fā)送速率和發(fā)送功率確定方法已經(jīng)不再適用，因此需要重新設(shè)計(jì)。還有，由于用戶的移動(dòng)而發(fā)生中繼或者基站的切換時(shí)，如何快速有效地更新網(wǎng)絡(luò)信息也需要進(jìn)一步的考慮。

4網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)由于其低帶寬、多跳、拓?fù)渥兓⒏邅G包率等特性，采用基于單純轉(zhuǎn)發(fā)的傳統(tǒng)包傳送技術(shù)時(shí)所能達(dá)到的網(wǎng)絡(luò)吞吐量非常有限。因此，采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)來(lái)顯著提高無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)吞吐量是一個(gè)非常有意義的研究方向。在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)編碼可以在單播、多播、廣播、P2P等方面帶來(lái)性能提高。由于單播數(shù)據(jù)流占到網(wǎng)絡(luò)總流量的主要部分，采用網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)有效地支持單播通信有著非常重要的意義。在2005年，Wu等人指出在簡(jiǎn)單的雙向單播中通過(guò)同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和無(wú)線鏈路物理層廣播特性，可以大大提高頻譜效率。受此思想的啟發(fā)，針對(duì)多路單播流，MIT的Katti等人[6]提出了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)編碼、實(shí)際可行的包傳送架構(gòu)（COPE）。該架構(gòu)巧妙地利用了由雙向信息流和無(wú)線通信中的包監(jiān)聽(tīng)特性這兩方面所制造的可觀網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會(huì)，并結(jié)合無(wú)線物理層廣播特性來(lái)實(shí)現(xiàn)單個(gè)發(fā)送就將多個(gè)數(shù)據(jù)包傳遞到各自的下一跳。他們所搭建的測(cè)試平臺(tái)顯示COPE架構(gòu)具有顯著提升（能高達(dá)二倍以上）無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)吞吐量的潛力。緊接著此開(kāi)創(chuàng)性工作，一方面，一些研究工作對(duì)COPE架構(gòu)進(jìn)行了不同方面的性能分析：文獻(xiàn)從理論上分析了COPE架構(gòu)下的編碼機(jī)會(huì)，而Liu等人則分析了利用網(wǎng)絡(luò)編碼和物理層廣播特性所能帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高的理論上界值。

另一方面，一些研究者從制造更多編碼機(jī)會(huì)和更有效利用編碼機(jī)會(huì)這兩個(gè)方向來(lái)探索更加合理的包傳送架構(gòu)設(shè)計(jì)。Ni等人提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼意識(shí)（coding-aware）的路由思想，通過(guò)合適的路由選擇來(lái)制造更多的雙向信息流和有效的包監(jiān)聽(tīng)，從而制造更多的潛在網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會(huì)。目前基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)包傳送技術(shù)存在幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，以下將對(duì)其及其解決方案進(jìn)行討論。

4.1網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會(huì)制造的問(wèn)題及解決方案

雖然網(wǎng)絡(luò)層上采用基于網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會(huì)的路由算法能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)制造更加可觀的潛在編碼機(jī)會(huì)，但是這些潛在編碼機(jī)會(huì)必須轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)鏈路層上真實(shí)的編碼機(jī)會(huì)才能最終帶來(lái)編碼增益。現(xiàn)有的MAC協(xié)議由于是無(wú)意識(shí)地制造數(shù)據(jù)鏈路層真實(shí)編碼機(jī)會(huì)，使得數(shù)據(jù)鏈路層以非常低的效率利用潛在的編碼機(jī)會(huì)。

因此，有必要設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的MAC協(xié)議，從而把潛在編碼機(jī)會(huì)在數(shù)據(jù)鏈路層充分地體現(xiàn)出來(lái)。目前為止，已經(jīng)有一小部分研究工作對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。但是這些工作中提出的MAC協(xié)議存在著以下嚴(yán)重不足：在做接入調(diào)度時(shí)僅考慮由雙向信息流產(chǎn)生的潛在編碼機(jī)會(huì)，并沒(méi)有考慮到由包監(jiān)聽(tīng)所產(chǎn)生的可觀的潛在編碼機(jī)會(huì)；沒(méi)有考慮和評(píng)估所設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)接入公平性。因此，有必要對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)進(jìn)行更加深入的研究。無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議采用退避計(jì)數(shù)器及相應(yīng)的退避機(jī)制來(lái)有效地減少發(fā)送碰撞的概率，并保證公平性。

為了設(shè)計(jì)能主動(dòng)地制造編碼機(jī)會(huì)的MAC協(xié)議，可以設(shè)計(jì)能主動(dòng)地制造編碼機(jī)會(huì)且保證接入公平性的退避機(jī)制。主要思路是：（1）設(shè)計(jì)合理的規(guī)則，基于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)待發(fā)送包的信息來(lái)判斷在節(jié)點(diǎn)獲得接入機(jī)會(huì)的時(shí)刻是否具有編碼機(jī)會(huì)。如果沒(méi)有編碼機(jī)會(huì)，則判斷推遲接入無(wú)線媒質(zhì)（即增大退避計(jì)數(shù)器當(dāng)前值）是否能帶來(lái)編碼機(jī)會(huì)。（2）設(shè)計(jì)合理的規(guī)則，基于鄰居節(jié)點(diǎn)待發(fā)送包的信息來(lái)判斷鄰居節(jié)點(diǎn)是否需要接收當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的某個(gè)包以獲取編碼機(jī)會(huì)，從而決定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否提前接入無(wú)線媒質(zhì)（即減小退避計(jì)數(shù)器當(dāng)前值）。（3）基于各個(gè)競(jìng)爭(zhēng)流已經(jīng)獲得的包發(fā)送機(jī)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口值，以保證接入公平性。

4.2網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會(huì)利用的問(wèn)題及解決方案

在數(shù)據(jù)鏈路層，Katti等人在文獻(xiàn)中提出的采用面向數(shù)據(jù)包大小的隊(duì)列結(jié)構(gòu)，把有著相同下一跳且在同一大小范圍內(nèi)的所有不同數(shù)據(jù)流的包都緩存在同一個(gè)隊(duì)列。為了減少亂序，只有每個(gè)隊(duì)列的最前面那個(gè)包可能參與編碼。但是，理論上講，每一個(gè)流的最早到達(dá)的包都有可能符合參與編碼的條件。因此，該隊(duì)列結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，抹去了部分?jǐn)?shù)據(jù)包所具有的潛在編碼機(jī)會(huì)。合適的隊(duì)列結(jié)構(gòu)既要有能接受的復(fù)雜度（如隊(duì)列數(shù)），又能在不引入包亂序的前提下保證盡可能多的不同數(shù)據(jù)流的最早到達(dá)包具有參與編碼的機(jī)會(huì)（即保留盡可能多的編碼機(jī)會(huì)）。如果采用面向流的隊(duì)列結(jié)構(gòu)（即為每個(gè)流維護(hù)一個(gè)隊(duì)列），所有最早到達(dá)包都具有參與編碼的機(jī)會(huì)，然而此結(jié)構(gòu)需維護(hù)較多的隊(duì)列。可以根據(jù)不同類型網(wǎng)絡(luò)的具體特性來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的（在復(fù)雜度和編碼機(jī)會(huì)間取得良好平衡的）隊(duì)列結(jié)構(gòu)。在編碼子層，目前的編碼算法要么有低復(fù)雜度但經(jīng)常找不出最優(yōu)編碼，要么能經(jīng)常找出最優(yōu)編碼但復(fù)雜度偏高。高效編碼算法的設(shè)計(jì)可以從最優(yōu)化理論和算法的角度來(lái)研究。針對(duì)每類網(wǎng)絡(luò)的隊(duì)列結(jié)構(gòu)，首先分析最優(yōu)編碼問(wèn)題的難度（是否NP-complete），然后根據(jù)問(wèn)題難度來(lái)決定是設(shè)計(jì)具有多項(xiàng)式復(fù)雜度的查找最優(yōu)編碼的算法，還是設(shè)計(jì)有效的啟發(fā)式算法或近似算法。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上面對(duì)不同類型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用的探討，可以清晰地了解網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)里有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，目前關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)編碼的研究大多停留在理論階段，僅有少數(shù)的研究者在測(cè)試網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行性能測(cè)試。因此，尚有大量的問(wèn)題需要進(jìn)一步的深入考慮和研究，以最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)里的實(shí)際應(yīng)用。