【正文】 取得的成果。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。研究表明，網(wǎng)絡(luò)編碼除了能夠提高系統(tǒng)的容量外，在數(shù)據(jù)壓縮、負(fù)載均衡、降低節(jié)點能量消耗、減少傳播時延、提高網(wǎng)絡(luò)健壯性及信息安全等方面都有重要的應(yīng)用前景。本文首先對COPE網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行理論分析，指出了其不足，并依此構(gòu)造了一個特殊無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出一種新的編碼算法。理論和仿真驗證了該新算法有效地減少了原始數(shù)據(jù)包傳輸?shù)拇螖?shù)，從而提高了以網(wǎng)絡(luò)編碼增益來衡量的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。仿真驗證了有協(xié)作的組播HARQ和NCHARQ分別比直接組播網(wǎng)絡(luò)HARQ和NCHARQ以及有協(xié)作的組播ARQ和NCARQ吞吐效率更高，從而改善了網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。 cope coding。 hybrid network coding。由于它可以實現(xiàn)將各種無線網(wǎng)絡(luò)基于無線Mesh路由器相互聯(lián)接，形成類似現(xiàn)有有線因特網(wǎng)那樣的網(wǎng)絡(luò)，人們又稱其為無線因特網(wǎng)。 課題研究背景隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，近年來無線Mesh網(wǎng)絡(luò)已嶄露頭角。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以有多種應(yīng)用，這些應(yīng)用有，室內(nèi)寬帶網(wǎng)、社區(qū)鄰域網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、樓房自治網(wǎng)等。這種方式省去了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費用，卻實現(xiàn)了大范圍的快速信號覆蓋，與傳統(tǒng)的點到多點方式的無線網(wǎng)絡(luò)相比有很多優(yōu)點。于是出現(xiàn)了空間資源復(fù)用的蜂窩移動通信系統(tǒng)，大大緩解了業(yè)務(wù)增長與系統(tǒng)資源之間的矛盾。對于用戶數(shù)量變化大、移動性強、不適合建立大功率基站的應(yīng)用場合就無能為力了。一般認(rèn)為，未來的無線通信系統(tǒng)將由各種不同的網(wǎng)絡(luò)融合而成，其中包括未來的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)、WLAN、移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、WSN、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、公眾用戶電話交換網(wǎng)絡(luò)（Public Switched Telephone Network，PSTN）等。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的新型寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)稱為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，即一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)，它不同于傳統(tǒng)的任何一種有線與無線網(wǎng)絡(luò)，具有自配置、自愈合、高帶寬、兼容性、低成本等優(yōu)點，非常適合于覆蓋大面積開放區(qū)域（包括室外和室內(nèi)）。可見，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)將是未來無線通信領(lǐng)域重大技術(shù)革新，將成為未來無線城域網(wǎng)核心網(wǎng)理想的組網(wǎng)方式，是構(gòu)建B3G/4G的潛在技術(shù)之一，也是迄今為止一種建立大規(guī)模移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的可行性技術(shù)[1012]。本課題作為江蘇省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項目（06KJA51001）：“基于環(huán)境感知的異構(gòu)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究”的子項目之一，主要研究了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)編碼等問題。全文安排如下：第一章， 將本文的研究背景、研究內(nèi)容和文章安排進(jìn)行介紹；第二章， 首先介紹了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的定義、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其次對比了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點，最后介紹了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場合等；第三章， 首先介紹了網(wǎng)絡(luò)編碼的起源，其次分析了網(wǎng)絡(luò)編碼發(fā)展，最后介紹了網(wǎng)絡(luò)編碼的性能優(yōu)點；第四章， 在COPE網(wǎng)絡(luò)編碼基礎(chǔ)上，提出了一種無線Mesh網(wǎng)絡(luò)編碼算法，并從理論和實驗兩個角度說明了此算法的優(yōu)越性能；第五章， 主要介紹了2個接收節(jié)點模型下混合編碼的組播吞吐量效率，并分析得出了有中繼節(jié)點協(xié)作情況下HARQ和NCHARQ兩種編碼技術(shù)的吞吐量效率，提出將COPE編碼方式應(yīng)用到混合編碼，并通過仿真驗證了其優(yōu)越性；第六章， 對本文的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并提出有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容。在投入大量資金、持續(xù)六年多的研發(fā)之后，有關(guān)移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的一些理論與技術(shù)問題得以解決，從而徹底改變了過去構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則。特別是近幾年，美國通過一些大型國防項目，攻克了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵技術(shù)，其中，ITT公司持有了其中的核心的自主產(chǎn)權(quán)技術(shù)。2000年初，ITT公司將專有技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了美國Mesh Networks公司，用于商業(yè)化產(chǎn)品的開發(fā)。2002年，Intel開始關(guān)注并認(rèn)可Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Mesh Networks和Troops等公司開始相繼開發(fā)出適用于商業(yè)應(yīng)用的相關(guān)產(chǎn)品。于是，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的概念得到人們的關(guān)注。另一方面，2002年 8月，美國FCC（Federal Communications Commission）宣布停止CDPD（Cellular Digital Packet Data）業(yè)務(wù)，一些采用CDPD的企業(yè)開始尋求其替代技術(shù)，如Wifi（）等技術(shù)，因此基于Wifi的多跳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)入人們的視野。這樣的話，它們也必須通過接入點才能進(jìn)行通信?！癕esh”這個詞原來的意思就是指所有的節(jié)點都互相連接，Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一度曾是一項軍方技術(shù)，Mesh網(wǎng)絡(luò)才逐步成為企業(yè)界和消費者注意的焦點。眾所周知，接入因特網(wǎng)的用戶位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，他們通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的路由器和節(jié)點相互連接，而這些路由器和節(jié)點的連接方式是這樣的：當(dāng)任意兩個節(jié)點之間的一條鏈路失效后，路由器會經(jīng)過一個或多個別的路由器找到一條替代路徑。通常認(rèn)為，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是多點對多點網(wǎng)絡(luò)，把它看成是移動Ad hoc技術(shù)的演化。無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種新型的可以解決“最后一英里”瓶頸問題的分布式網(wǎng)絡(luò)。但是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體配置的不同，WMN不一定包含以上所有類型的節(jié)點。為提高M(jìn)esh網(wǎng)絡(luò)的靈活性，通常Mesh路由器配置有多個無線接口，各個接口可以是相同的，也可以是不同的。Mesh終端節(jié)點也可分為兩類：一類是普通的WLAN節(jié)點，這類節(jié)點不具有移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)典型意義下的信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，只是作為普通終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)；另一類節(jié)點既具有普通終端節(jié)點的接入功能，又具有路由和信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，即兼具了無線路由器的功能，但通常這類節(jié)點不具備網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋節(jié)點的功能。若按結(jié)構(gòu)層次，網(wǎng)絡(luò)又可分為平面結(jié)構(gòu)、多級結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。 終端設(shè)備型Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)—終端設(shè)備型Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[10]。很明顯，這種網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點與現(xiàn)有的WLAN等技術(shù)不直接兼容，本質(zhì)上就是一種ad hoc網(wǎng)絡(luò)。在終端設(shè)備型Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點為具有Mesh路由器功能的增強型終端用戶設(shè)備。這是一種任意網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點可以任意移動，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也隨之動態(tài)變化。在任意時刻，終端設(shè)備在不需要其它基礎(chǔ)設(shè)施的條件下可獨立運行，它可支持移動終端較高速率的移動接入，快速網(wǎng)形成寬帶網(wǎng)絡(luò)。 基礎(chǔ)設(shè)施型Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[10]，分為上層和下層兩個部分。這類終端節(jié)點設(shè)備通過Mesh路由器（相當(dāng)于WLAN中的AP）接入到上層Mesh結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互連互通。移動終端通過Mesh路由器的路由選擇和中繼功能與網(wǎng)關(guān)節(jié)點形成無線鏈路，網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過路由選擇及管理控制等功能為移動終端選擇與目的節(jié)點通信的最佳路徑，從而形成無線回路。這樣的結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)的建設(shè)成本，也提高了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和可靠性。 混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，稱之為混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[10]。一般來說，終端節(jié)點設(shè)備需同時能夠支持接入上層網(wǎng)絡(luò)Mesh路由器和本層網(wǎng)絡(luò)中對等節(jié)點的功能。移動終端設(shè)備既可以與其他網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)無線寬帶接入，又可以與其它用戶直接通信，還可以作為中間的路由器轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點的數(shù)據(jù)，送往目的節(jié)點。（1）多跳無線網(wǎng)絡(luò)。WMN的另一個目標(biāo)是為處于非視距范圍的用戶提供非視距連接。（2）支持Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有自形成、自愈和自組織能力。在較少的前期投資下，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要逐步擴(kuò)展。如前所述，WMN通常有幾類節(jié)點，分別具有不同的移動性特征。（4）多種網(wǎng)絡(luò)接入方式。此外，可以通過WMN與其它無線網(wǎng)絡(luò)的集成，向終端用戶提供各種多媒體業(yè)務(wù)。Mesh路由器通常由外部供電，受功耗限制不嚴(yán)格，而Mesh客戶終端就如同蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的手機一樣，需要有效的節(jié)能機制。（6）與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)具有兼容性及互操作性。不過，WMN還需要與其它無線網(wǎng)絡(luò)（如蜂窩網(wǎng)絡(luò)）有互操作性。而在采用星型結(jié)構(gòu)的蜂窩移動通信系統(tǒng)中，一旦某條鏈路出現(xiàn)故障，可能造成大范圍的服務(wù)中斷。而目前正在發(fā)展的3G技術(shù)，其傳輸速率在高速移動環(huán)境中僅支持144kbit/s，步行慢速移動環(huán)境中支持384kbit/s，在靜止?fàn)顟B(tài)下才達(dá)到2Mbit/s。 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與WLAN的區(qū)別在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，WLAN是典型的點對多點單跳網(wǎng)絡(luò)，最后一跳的接入采用無線方式，終端節(jié)點必須借助接入點進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)不可轉(zhuǎn)發(fā)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，WLAN的接入點負(fù)責(zé)終端設(shè)備的接入，其它網(wǎng)絡(luò)特征與有線LAN相同，而WMN的所有中間節(jié)點均須承擔(dān)其它節(jié)點的信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，即具有路由器和中繼器功能。在覆蓋范圍上，WLAN可在較小的范圍內(nèi)提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)（，），但典型情況下WLAN接入點的覆蓋范圍僅限于幾百米，因此如果想在大范圍內(nèi)應(yīng)用WLAN這種高速率的服務(wù)模式，成本將非常高。WMN的顯著特點就是可以在大范圍內(nèi)實現(xiàn)高速通信。但WMN大多數(shù)節(jié)點基本靜止不移動或者移動性弱，拓?fù)渥兓^小。在業(yè)務(wù)模式上，由于兩種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目的不同，WMN著重的是用戶節(jié)點的接入功能，而移動Ad Hoc網(wǎng)是實現(xiàn)用戶節(jié)點之間的相互通信。 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)缺點WMN與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比有以下優(yōu)點：（1）可靠性大大增強。（2）具有沖突保護(hù)機制。（3）簡化鏈路設(shè)計。（4）網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍增大。目前的WLAN已經(jīng)使用了））的引入，終端用戶可以在任何地點接入網(wǎng)絡(luò)或其他節(jié)點聯(lián)系，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，接入點的覆蓋范圍大大增加，而且頻譜的利用率也大大提高，系統(tǒng)的容量得到了增長。由于WMN本身的組網(wǎng)特點，只要在需要的地方加上WR等少量的無線設(shè)備，即可與已有的設(shè)施組成無線的寬帶接入網(wǎng)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，功能更強大、更完善。WMN的初建成本低，AP和WR一旦投入使用，其位置基本固定不變，因而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源。此外，WMN一般采用非許可證頻段，所以也為用戶節(jié)省了服務(wù)支出。（1）在無線點射頻接入方面，有針對單一射頻信道的WMN，也有針對多個射頻信道的WMN。（2）在WMN路由準(zhǔn)則和選擇算法等方面，目前提出的特別適合WMN的路由協(xié)議寥寥無幾，Microsoft Research雖提出了一種線性組合優(yōu)化路由準(zhǔn)則，但被優(yōu)化變量的物理意義并非十分明顯和直觀，且引入的非線性運算使計算復(fù)雜度大大增加。（3）在WMN連接性和多路支持方面，每個節(jié)點鏈路連接度也是一個至關(guān)重要的問題，并非使用射頻信道越多，網(wǎng)絡(luò)性能越好，射頻信道數(shù)增加會帶來設(shè)備開銷的成本的上升，同時可能會帶來更多的干擾問題。（4）在WMN帶寬利用和資源分配算法方面，非常有效的可用算法和協(xié)議等相關(guān)問題還有待研究。具體而言，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)有以下幾個關(guān)鍵技術(shù) [9]：（1）正交分割多址接入技術(shù) QDMA 技術(shù)是專門為廣域范圍內(nèi)通信的最優(yōu)化以及移動Mesh網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的。QDMA 技術(shù)使用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）調(diào)制技術(shù)。QDMA技術(shù)提供一個高性能的射頻前端，這種前端含有類似于多抽頭Rake接收機（一般用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)）的功能和一種克服射頻環(huán)境快速變化的公平算法。目前QDMA 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶_(dá)到1600m，~50m。（2）隱藏終端問題處理技術(shù) 由于 WMN 采用無線傳輸媒質(zhì)，因此它與其他無線傳輸網(wǎng)一樣，不可避免地存在隱藏終端和暴露終端問題。（請求發(fā)送/允許發(fā)送協(xié)議）來避免，但并不能完全解決隱藏終端和暴露終端問題。事實上，WMN可看作簡化的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，因此可根據(jù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的一些已有的成熟的方案來解決隱藏終端和暴露終端問題。WMN 的路由協(xié)議可以參考Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的一些路由協(xié)議。目前幾種典型的路由算法有：DSDV（目的序列距離矢量路由協(xié)議）、DSR（動態(tài)源路由協(xié)議）、TORA（臨時按序路由算法）和 AODV（AdHoc 按需距離矢量路由協(xié)議）。（4）正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù) WMN 物理層可以采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。由于無線信道的頻率選擇性，所有的子信道不會同時處于深的衰落中，因此可以通過動態(tài)比特分配以及動態(tài)子信道分配的方法，利用信噪比高的子信道提升系統(tǒng)性能。OFDM 結(jié)合分集、時空編碼、干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大程度提高系統(tǒng)性能，使 WMN性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。（1）家庭應(yīng)用WMN技術(shù)的一個重要用處就是用于構(gòu)建家庭無線網(wǎng)絡(luò)。在家庭WMN中，各種家用電器既是網(wǎng)上的用戶，也作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分為其它設(shè)備提供接入服務(wù)。WMN技術(shù)應(yīng)用家庭環(huán)境中的另一個關(guān)鍵好處是它能夠支持帶寬高度集中的應(yīng)用，如高清晰度視頻。WMN則不同，它允許網(wǎng)絡(luò)用戶共享帶寬，消除了目前單跳網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，并且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動態(tài)平衡。尤其是對于那些需要經(jīng)常移動接入點的企業(yè)，WMN技術(shù)的多跳結(jié)構(gòu)和靈活配置將非常有利于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級。一是校園WLAN規(guī)模巨大，不僅地域范圍大，用戶多，而且通信量也大，與一般企業(yè)用戶相比,學(xué)生會更多地使用多媒體。三是負(fù)載均衡非常重要，由于學(xué)生經(jīng)常要集中活動，當(dāng)學(xué)生同時在某個位置使用網(wǎng)絡(luò)時就可能發(fā)生通信擁塞現(xiàn)象。但校園網(wǎng)用戶需求變化較大，經(jīng)常需要增加新的AP或調(diào)整AP的部署位置，這會帶來很大的成本增加。（4）醫(yī)院應(yīng)用WMN還為像醫(yī)院這樣的公共場所提供了一種理想的聯(lián)網(wǎng)方案。醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)有兩個主要特點：一是布線比較困難。二是對網(wǎng)絡(luò)的健壯性要求很高。采用無線Mesh組網(wǎng)則是解決這些問題的理想方案。無線Mesh網(wǎng)的健壯性和高帶寬也使它更適合于在醫(yī)院中部署。WMN能夠以最低的成本為這些場所提供寬帶服務(wù)。例如，如果需要臨時在某個地方開幾天會議或辦幾天展覽，利用Mesh技術(shù)來組網(wǎng)可以將成本降到最低。WMN因其特有的無需架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開、抗毀性強等特點，已經(jīng)成為了新一代數(shù)字化戰(zhàn)場通信的首選技術(shù)。戰(zhàn)術(shù)因特