SUPERVISOR
Morteza Esmaeili,Arven Galiver
مرتضی اسمعیلی (استاد راهنما) آرون گالیور (استاد مشاور)
STUDENT
Morteza Rekab Eslami
مرتضی رکاب اسلامی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده ریاضی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
Network coding is an elegant and novel technique introduced at the turn of the millennium to improve network throughput and performance . It is expected to be a critical technology for networks of the future . The fundamental result of linear network coding asserts the existence of optimal linear network codes over multicast networks when the symbol alphabet is sufficiently large . In a Linear network code , intermediate nodes perform linear operations , so through each edge flows a linear combination of the symbols generated by the sources . The coefficients of this linear combination form a vector called the global encoding kernels (GEKs) and the coefficients of the linear operation are called the local encoding kernels (LEKs) . A linear network code can be described by either GEKs or LEKs . In the literature , the optimal properties of a linear network code such as multicast and MDS properties , are described by GEKs . In this thesis , some formulas are proposed to describe these properties by LEKs rather than GEKs . Designing optimal network codes for cyclic networks has attracted a lot of attentions because of their applications in practice . Due to the lack of upstream-to-downstream ordering over some cyclic networks , linear network code construction for cyclic networks is more complex than acyclic networks . In this thesis , a unified framework is proposed for designing optimal linear network codes over error-free , erroneous , constant-rate , variable-rate , cyclic and acyclic networks . The algorithms in these framework are based on LEKs , whereas all existing algorithms in the literature are based on GEKs . This thesis is organized in fourth part . In the first part , a method is proposed for constructing generic linear network codes using transversal matroids . A generic linear network code is the strongest optimal linear network code in terms of the linear independency of the coding vectors . It can be designed by constructing a representation matrix for a transversal matroid . In this part , first details on the method of constructing a GLN code using transversal matroids is presented , and then propose an algorithm to construct a representation matrix for a given transversal matroid which is faster than the only known algorithm in the literature . In the second part , by iiring the methods applied in the first part , first a formula is presented to describe the multicast property using LEKs rather than GEKs , and then this formula is used to develop an algorithm for designing multicast linear network codes over cyclic networks . In the third part , by generalizing the methods applied in the second part , first a formula is presented to describe the MDS property using LEKs rather than GEKs and then this formula is used to develop an algorithm for designing multicast MDS linear network codes over erroneous cyclic networks . In order to use network coding theory for variable rate erroneous acyclic networks , it was suggested the concept of a family of multicast MDS linear network codes that is a set of multicast MDS codes with the same LEKs in non-source nodes . But the codes in this family may have not the same GEKs . In the fourth part , it is shown that there is a family of multicast MDS linear network codes for cyclic and acyclic erroneous variable rate networks that not only have the same LEKs but also have almost the same GEKs . For this , it is introduced variable rate multicast MDS linear network code . This code is designed such that if some dimensions of this code is removed , then it holds its multicast MDS property . In other word , a variable rate multicast MDS linear network code play role of a family of multicast MDS linear network codes that have the same LEKs , and GEKs of a code in this family can be obtained by removing some dimension of GEKs of another code in this family . In this part , an algorithm is proposed for designing variable rate MDS linear network codes .
کدگذاری شبکه یک تکنیک کارآمد برای بهبود توان عملیاتی و کارایی شبکههای مخابراتی و کامپیوتری است که در ابتدای قرن بیست و یکم معرفی شد و انتظار میرود که یکی از فنآوریهای کلیدی شبکههای آینده باشد. یکی از پرکاربردیترین شبکهها ، شبکهها ی چندپخشی هستند که در آنها دادههای تولید شده توسط منبع باید به تمام گیرندهها ارسال شود. سادهترین و کاربردیترین شیوه کدگذاری یک شبکه چندپخشی ، استفاده از کدشبکه خطی است. برای هر شبکه چندپخشی یک کدشبکه خطی بر روی یک الفبای به اندازه کافی بزرگ وجود دارد که با استفاده از آن میتوان دادههای تولید شده توسط منبع را با بیشترین جریان (حداکثر ظرفیت) شبکه به گیرندهها انتقال داد. چنین کدشبکهای را کدشبکه بهین نامند. در کدگذاری خطی شبکه ، هر کانال خروجی از یک گره یک ترکیب خطی از دادههای ورودی به آن گره را منتقل میکند. به ضرایب این ترکیب خطی ضرایب کدگذاری گویند. بنابراین برای شبکهای که از کدگذاری خطی استفاده میکند، در هر یال یک ترکیب خطی از سمبلهای تولید شده توسط منبع جریان دارد. ضرایب این ترکیب خطی تشکیل یک بردار میدهند که به آن بردار کدگذاری گویند. یک کدشبکه خطی را هم میتوان بر اساس ضرایب کدگذاری و هم بردارهای کدگذاری بیان کرد. در گذشته، برای توصیف ویژگیهای بهینگی کدشبکههای خطی از بردارهای کدگذاری استفاده میشد. این نکته باعث ایجاد پیچیدگی در طراحی کدشبکههای خطی بهین برای شبکههای دارای دور میشد. در این رساله، فرمولهایی پیشنهاد میشود که ویژگیهای بهینگی کدشبکههای خطی را بر اساس ضرایب کدگذاری و بدون استفاده از بردارهای کدگذاری توصیف میکند. بر اساس این فرمولها ، روشهایی برای طراحی کدشبکههای خطی بهین برای شبکههای چندپخشی دوری بدون خطا، خطادار، نرخ ثابت و نرخ متغیر ارائه میشود که بر اساس ضرایب کدگذاری هستند و از بردارهای کدگذاری استفاده نمیکند. این روشها در چهار قسمت معرفی میشوند. در قسمت اول، یک روش برای طراحی کدشبکه خطی جامع با استفاده از متروید ترنسورسال ارائه میشود. کدشبکههای خطی جامع یک خانواده از کدشبکههای خطی بهین هستند که مستحکمترین رابطه استقلال خطی بردارهای کدگذاری را دارند. این کدشبکهها را میتوان با ساخت یک ماتریس نمایش برای یک متروید ترنسورسال طراحی کرد. در این قسمت، ابتدا شیوه به دست آوردن ضرایب کدگذاری یک کدشبکه خطی جامع از ماتریس نمایش یک متروید ترنسورسال بیان میشود. سپس، یک الگوریتم برای ساخت ماتریس نمایش متروید ترنسورسال ارائه میشود که سریعتر از تنها الگوریتم شناخته شده در این زمینه است. در قسمت دوم، با الهام از روشهایی که در قسمت اول به کار برده شد، ابتدا یک فرمول برای بررسی ویژگی چندپخشی معرفی میشود که بر اساس ضرایب کدگذاری است و به بردارهای کدگذاری وابسته نیست. سپس، بر مبنای همین فرمول، یک الگوریتم طراحی کدشبکه خطی چندپخشی برای شبکههای دوری ارائه میشود که وابسته به بردارهای کدگذاری و دورهای شبکه نیست. در قسمت سوم، با تعمیم روشهایی که قسمت دوم به کار برده شد، ابتدا یک فرمول برای بررسی ویژگی چندپخشی MDS معرفی میشود که بر اساس ضرایب کدگذاری است و به بردارهای کدگذاری وابسته نیست. سپس، بر مبنای همین فرمول، یک الگوریتم طراحی کدشبکه خطی چندپخشی MDS برای شبکههای دوری ارائه میشود که وابسته به بردارهای کدگذاری و دورهای شبکه نیست. اخیراً پیشنهاد شده است که برای کدگذاری شبکههای غیردوری نرخ متغیر از یک خانواده از کدشبکههای خطی چندپخشی MDS نرخ متغیر استفاده شود. این خانواده شامل کدشبکههای خطی است که نرخهای متفاوت دارند ولی ضرایب کدگذاری آنها در گرههای غیرمنبع یکسان است. البته بردارهای کدگذاری کدهای مختلف در این خانواده ممکن است که کاملاً با هم متفاوت باشد. در قسمت چهارم از این رساله، نشان داده میشود که میتوان برای شبکههای دوری و غیردوری یک خانواده از کدشبکههای خطی چندپخشی MDS نرخ متغیر را طوری طراحی کرد که نه تنها ضرایب کدگذاری آنها (در گرههای غیرمنبع) یکسان باشد بلکه بردارهای کدگذاری آنها نیز تقریباً یکسان باشد. برای این کار، کدشبکه خطی چندپخشی MDS نرخ متغیر معرفی میشود. ساختار این شبکه به شکلی است که با حذف چند بعد از آن ویژگی چندپخشی MDS خود را حفظ میکنند. به عبارتی دیگر، خطی چندپخشی MDS نرخ متغیر نقش یک خانواده از کدشبکههای خطی با نرخهای متفاوت را ایفا میکند. در این قسمت علاوه بر معرفی کدشبکه خطی چندپخشی MDS نرخ متغیر، با الهام از روشی که در قسمت سوم به کار برده شد، یک الگوریتم برای طراحی این کدشبکه ارائه میشود. این روش نیز وابسته به بردارهای کدگذاری و دورهای شبکه نیست.