網(wǎng)絡(luò)編碼算法與協(xié)議設(shè)計(jì).pdf

1、網(wǎng)絡(luò)編碼是近年來通信領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。網(wǎng)絡(luò)編碼的思想建立在網(wǎng)絡(luò)信息流的基礎(chǔ)之上，通過允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)來自不同鏈路的信息進(jìn)行編碼組合，使其既能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)路由的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的處理，這樣可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)性能。網(wǎng)絡(luò)編碼的初衷是為使多播傳輸達(dá)到理論上的最大傳輸容量，從而取得較路由更好的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。隨著研究的深入，網(wǎng)絡(luò)編碼的研究已拓廣到無線網(wǎng)絡(luò)、P2P內(nèi)容分發(fā)、分布式存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)安全等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。固定速率網(wǎng)絡(luò)編碼的性質(zhì)已經(jīng)得到廣泛的

2、研究，在流量動(dòng)態(tài)變化的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，具有可變速率的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)具有重要的研究意義。
　　 量子通信是量子信息的核心內(nèi)容之一，它為信息的安全傳輸提供了新的方法。量子通信無論是在理論上還是實(shí)驗(yàn)上都取得了大量的研究成果，有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。量子通信網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上熱門的研究課題之一。當(dāng)量子通信的整體網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，將網(wǎng)絡(luò)編碼理論應(yīng)用到量子通信領(lǐng)域以提高量子網(wǎng)絡(luò)的整體性能有重要的研究意義。但是，相對(duì)于經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)編碼而言，量子網(wǎng)絡(luò)編碼的研究

3、才剛剛起步。蝶形網(wǎng)絡(luò)雖然簡單，卻代表了有瓶頸信道的網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，它的解決方案可以觸發(fā)對(duì)一般網(wǎng)絡(luò)解決方案的研究。此外，量子克隆作為量子網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的重要組成要素，將對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)編碼的研究起到很大的推動(dòng)作用。
　　 本論文對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼算法與協(xié)議設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。內(nèi)容涉及經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)編碼和量子網(wǎng)絡(luò)編碼。具體包括三個(gè)方面：變速率線性網(wǎng)絡(luò)編碼算法的設(shè)計(jì)，蝶形網(wǎng)絡(luò)上量子網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)議的設(shè)計(jì)，量子輔助克隆協(xié)議的設(shè)計(jì)。論文對(duì)研究過程中取得的成果進(jìn)行了詳細(xì)闡述

4、，其中主要?jiǎng)?chuàng)新工作簡要?dú)w納如下：
　　 1.針對(duì)單信源無圈的經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)，分別研究了四類變速率的線性網(wǎng)絡(luò)編碼。一方面，通過簡單清晰的證明，得到如果編碼基域足夠大，變速率的線性generic、散布、廣播可以在不改變非源節(jié)點(diǎn)局部編碼核的情況下有效實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，給出了同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不同維數(shù)的線性generic、散布、廣播的有效實(shí)現(xiàn)算法。這些算法的優(yōu)點(diǎn)是在整個(gè)會(huì)話過程中每個(gè)非源節(jié)點(diǎn)只需要存儲(chǔ)一個(gè)局部編碼核，從而大大節(jié)省了存儲(chǔ)空間，有利于硬件

5、上的實(shí)現(xiàn)。另一方面，通過例子說明變速率線性多播在上述條件下未必能夠?qū)崿F(xiàn)。將這種研究方法應(yīng)用到有鏈路失敗情形，可以得到變速率靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)編碼的類似結(jié)論。
　　 針對(duì)單信源有圈的經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)，分別研究了四類變速率的卷積網(wǎng)絡(luò)編碼。得到變速率的卷積generic、散布、廣播可以在不改變非源節(jié)點(diǎn)局部編碼核的情況下有效實(shí)現(xiàn)，而變速率卷積多播在上述條件下未必能夠?qū)崿F(xiàn)。
　　 2.經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)編碼能有效節(jié)省帶寬，針對(duì)有瓶頸信道的量子通信網(wǎng)絡(luò)，有

6、效地利用量子網(wǎng)絡(luò)資源同樣具有重要的研究意義。利用量子特有的糾纏資源，設(shè)計(jì)了一個(gè)有效的需求傳輸協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)在蝶形網(wǎng)絡(luò)上交叉?zhèn)魉蛢蓚€(gè)兩級(jí)量子態(tài)。詳細(xì)地講，當(dāng)僅兩個(gè)發(fā)送方之間共享兩個(gè)非最大糾纏的量子比特對(duì)，在本文提出的協(xié)議下，兩個(gè)接收方都能以一定概率保真度為1地重建初始態(tài)，并且在瓶頸信道上節(jié)省了1經(jīng)典比特的通信。這意味著我們的協(xié)議比沒有使用網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)議更有效。此外，這個(gè)協(xié)議被推廣到傳輸兩個(gè)多方糾纏態(tài)的情形。
　　 3.研究在不增加量

7、子非局域資源的情形下，以高概率實(shí)現(xiàn)未知態(tài)完美復(fù)制的輔助克隆方案。設(shè)計(jì)了新的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)未知兩粒子糾纏態(tài)的輔助克隆。協(xié)議包含兩個(gè)步驟：第一步需要通常的隱形傳態(tài)；第二步，構(gòu)造一組新的相互正交的基向量。在制備方的幫助下，基于這組基執(zhí)行投影測(cè)量，可以產(chǎn)生初始態(tài)的完美復(fù)制。與以前的協(xié)議相比，它們?cè)诎l(fā)送方處產(chǎn)生未知態(tài)和它的正交補(bǔ)態(tài)，本文提出的協(xié)議確定性地產(chǎn)生未知態(tài)本身。另一方面，設(shè)計(jì)了另一個(gè)經(jīng)由非最大糾纏態(tài)作為量子信道的輔助克隆協(xié)議。僅未知態(tài)的完美復(fù)