论文摘要
数字喷泉码（Digital Fountain code, DFC）是一种与信道相关性较小的网络编码，在深空通信、网络通信等领域中都具有潜在的应用价值。数字喷泉码可以改善现行网络传输机制，提高信息传输效率，并且在实际网络应用时，可以改善不同服务介质之间的差异性，满足用户对于数据存储中较高的要求。但编码数据包冗余度的大小、译码时延、节点发送停止标识、网络节点运算量估计与度数分布函数等都是使得其不易在实际网络中实现的关键问题。数字喷泉码在提出的时候是一种思想，并没有实际的编码算法，直到后来提出了一种主要的数字喷泉码算法——LT（Luby Transform, LT）码，其具有数字喷泉码固有的基本特征，因此，对LT码算法研究可以有针对性的理解数字喷泉码的构成、性质等，对改进算法以及提高数字喷泉码的实用性奠定基础。为了改善LT码的编译码算法，提供编码的仿真分析平台，论文基于实际项目背景对LT码进行研究，主要内容如下：1.对数字喷泉码原理进行分析，结合网络编码（Network coding, NC）算法，探讨网络编码和数字喷泉码的特征，为在网络环境中应用具体的数字喷泉码算法提供基础；深入研究其度数分布函数和译码固有的失败概率等关键参数，在充分理解生成矩阵产生以及检测过程的基础上，给出参数在不同条件下的仿真结果；分析数字喷泉码的应用环境，研究其环境变化的适应性，并且讨论数字喷泉码研究中的关键问题。2.论文针对度数分布函数不理想，没有易实现的合适度数分布函数设计依据，应用数学的极限分析算法，在LT码的度分布中进行研究，最终降低了LT码的编码平均度数和复杂度，其核心的思想主要是对LT码的编码过程在极限条件下进行推导，并且依据推导过程，分析得出了在极限条件下对LT码进行研究的结论。论文得出在不同的参数条件下，LT码性能差异较大，通过合理的设计LT码方案，最大化LT码优势，优化了LT码的存储结构。3.在前述研究的基础上，论文之后对于LT码中原始数据的选择问题，提出了一种不定帧长LT码方案，对不同的数据部分分别进行编码，通过不同的设计来提高性能。同时，将论文研究过程中提出的改进算法进行综合，提供一套仿真测试软件平台。论文在Microsoft Visual C++环境中，完成编译码流程图设计和程序设计，达到实现LT码编译码仿真的功能。4.论文针对LT码共有的存储空间大、译码概率低等弊端，研究并提出一种减少LT码生成矩阵存储空间的方法，降低传输过程中的时延。因为生成矩阵的列相当于编码传送的数据包，将熵编码算法引入LT码的编码方案中，对生成矩阵按列进行熵编码优化，该方法能够较大幅度的减少LT码的数据量，并且保持LT码的特征和结构，使其译码准确度也有较大提高。通过理论研究和仿真分析得出，将生成矩阵进行优化后，较大地降低了其存储空间。5.因为在LT码的编译码算法中，会存在时延，主要有编码过程的时延、传输过程的时延以及译码过程的时延三类，而时延过大会使接收机不能及时获取编码数据包，从而影响对信道情况的判断，较大地影响整个LT码的性能。论文重点分析了网络中编码传输某一编码数据包的时延情况，并且基于前述提出的不定帧长LT码结构，形成了以LT码为基础的改进的网络通信流程，给出了公式推导结果。论文在特定的环境中，研究分析了快速LT编码的算法性能以及通信的基本模式。之后针对网络通信环境中的不同传输策略，对网络编码和LT码的时延性能进行分析和改进。6.由于在很多通信系统或网络环境中，都存在带宽受限、对环境没有自适应能力、需要发送端预测网络环境以及大量的反馈重传以保证接收机正确接收原始数据等不利因素，使得通信的可靠性也受到限制。因此，论文在无线传感网络、水声网络的网络背景中探讨了LT码的性能，研究了该两种网络环境的基本拓扑模型，分析LT码在其中应用时的效果，从而改善数据的传输性能。