網(wǎng)絡編碼算法與協(xié)議設計.pdf

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

2、研究，在流量動態(tài)變化的真實網(wǎng)絡中，具有可變速率的網(wǎng)絡編碼技術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驗上都取得了大量的研究成果，有廣闊的發(fā)展和應用前景。量子通信網(wǎng)絡是當前國際上熱門的研究課題之一。當量子通信的整體網(wǎng)絡已經(jīng)實現(xiàn)，將網(wǎng)絡編碼理論應用到量子通信領域以提高量子網(wǎng)絡的整體性能有重要的研究意義。但是，相對于經(jīng)典網(wǎng)絡編碼而言，量子網(wǎng)絡編碼的研究

3、才剛剛起步。蝶形網(wǎng)絡雖然簡單，卻代表了有瓶頸信道的網(wǎng)絡的性質(zhì)，它的解決方案可以觸發(fā)對一般網(wǎng)絡解決方案的研究。此外，量子克隆作為量子網(wǎng)絡編碼技術的重要組成要素，將對量子網(wǎng)絡編碼的研究起到很大的推動作用。
　　 本論文對網(wǎng)絡編碼算法與協(xié)議設計進行了研究。內(nèi)容涉及經(jīng)典網(wǎng)絡編碼和量子網(wǎng)絡編碼。具體包括三個方面：變速率線性網(wǎng)絡編碼算法的設計，蝶形網(wǎng)絡上量子網(wǎng)絡編碼協(xié)議的設計，量子輔助克隆協(xié)議的設計。論文對研究過程中取得的成果進行了詳細闡述

4、，其中主要創(chuàng)新工作簡要歸納如下：
　　 1.針對單信源無圈的經(jīng)典通信網(wǎng)絡，分別研究了四類變速率的線性網(wǎng)絡編碼。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)點局部編碼核的情況下有效實現(xiàn)。同時，給出了同一個網(wǎng)絡中不同維數(shù)的線性generic、散布、廣播的有效實現(xiàn)算法。這些算法的優(yōu)點是在整個會話過程中每個非源節(jié)點只需要存儲一個局部編碼核，從而大大節(jié)省了存儲空間，有利于硬件

5、上的實現(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)。將這種研究方法應用到有鏈路失敗情形，可以得到變速率靜態(tài)網(wǎng)絡編碼的類似結論。
　　 針對單信源有圈的經(jīng)典通信網(wǎng)絡，分別研究了四類變速率的卷積網(wǎng)絡編碼。得到變速率的卷積generic、散布、廣播可以在不改變非源節(jié)點局部編碼核的情況下有效實現(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)絡編碼能有效節(jié)省帶寬，針對有瓶頸信道的量子通信網(wǎng)絡，有

6、效地利用量子網(wǎng)絡資源同樣具有重要的研究意義。利用量子特有的糾纏資源，設計了一個有效的需求傳輸協(xié)議，以實現(xiàn)在蝶形網(wǎng)絡上交叉?zhèn)魉蛢蓚€兩級量子態(tài)。詳細地講，當僅兩個發(fā)送方之間共享兩個非最大糾纏的量子比特對，在本文提出的協(xié)議下，兩個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)絡編碼的協(xié)議更有效。此外，這個協(xié)議被推廣到傳輸兩個多方糾纏態(tài)的情形。
　　 3.研究在不增加量

7、子非局域資源的情形下，以高概率實現(xiàn)未知態(tài)完美復制的輔助克隆方案。設計了新的協(xié)議來實現(xiàn)未知兩粒子糾纏態(tài)的輔助克隆。協(xié)議包含兩個步驟：第一步需要通常的隱形傳態(tài)；第二步，構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)行投影測量，可以產(chǎn)生初始態(tài)的完美復制。與以前的協(xié)議相比，它們在發(fā)送方處產(chǎn)生未知態(tài)和它的正交補態(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，設計了另一個經(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