網(wǎng)絡(luò)信息論

前言

　　自2000年后，網(wǎng)絡(luò)信息論作為一個(gè)新的信息學(xué)科的發(fā)展方向，備受國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注。在北美一些著名的大學(xué)，如MIT、Stanford、UCSD 和加拿大的Waterloo等先后開設(shè)了網(wǎng)絡(luò)信息論的研修課程，致力于介紹從事該研究所必需的理論基礎(chǔ)和一些最新的研究成果，以推動(dòng)整個(gè)信息學(xué)科向網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化和最優(yōu)化發(fā)展，并使之更靠近工程應(yīng)用的需求?！　≡谶@種科學(xué)研究逐步國際化的大背景下，我們自2003年開始關(guān)注這一國際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，并及時(shí)跟進(jìn)，開展了部分研究。在2004年、2005年和2006年，作者所領(lǐng)導(dǎo)的研究組連續(xù)三年得到國家自然科學(xué)基金和國家863項(xiàng)目的支持，使得我們有機(jī)會(huì)開展高水平的前沿性課題研究，在網(wǎng)絡(luò)編碼、跨層設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)容量估計(jì)等方面取得一系列國際領(lǐng)先的科研成果。在2006年和2007年，作者在為清華大學(xué)電子工程系通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士生和博士生開設(shè)的通信學(xué)科前沿課中，多次講解“網(wǎng)絡(luò)信息論的歷史與發(fā)展”、“無線網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)編碼理論”等。為進(jìn)一步推動(dòng)和培養(yǎng)從事該研究方向的專業(yè)人才，2007年，作者在清華大學(xué)電子工程系為高年級的本科生開設(shè)了“網(wǎng)絡(luò)信息論”的研究性課程。本教材是近幾年這些講稿經(jīng)過細(xì)致化后所形成的版本，它包括我們對國際研究動(dòng)態(tài)的部分調(diào)研資料和作者所領(lǐng)導(dǎo)的研究組的一些研究成果。 我們希望本教材的出版可以起到拋磚引玉的作用，幫助我國從事該研究方向的學(xué)者、專家以及廣大的研究生盡快熟悉該研究領(lǐng)域所需要的基礎(chǔ)知識，了解國際研究動(dòng)態(tài)，把握研究主流課題，找到合適的研究切入點(diǎn)，為提升我國在這一新的研究領(lǐng)域的國際地位奠定基礎(chǔ)?！　”緯奶厣饕w現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：　?。?） 從學(xué)科發(fā)展的角度，指出了網(wǎng)絡(luò)信息論研究的三個(gè)重要問題?！　。?） 從應(yīng)用的角度，通過大量的例子，并利用網(wǎng)絡(luò)信息論的觀點(diǎn)解釋了現(xiàn)代通信理論發(fā)展中幾個(gè)重要研究方向的形成，以及它們未來的發(fā)展方向?！　。?） 系統(tǒng)介紹了從事現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息論研究的基礎(chǔ)?！　。?） 在介紹傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息論成果的基礎(chǔ)上，介紹了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息論的幾個(gè)重要發(fā)展方向和重要研究課題，如數(shù)字噴泉編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼以及跨層設(shè)計(jì)理論等?！　。?） 作為一本高級科普讀物，本書從理論上解釋了網(wǎng)絡(luò)信息論在未來通信系統(tǒng)中的潛在價(jià)值?！　”緯闹饕獌?nèi)容組織如下：　　第1章介紹了網(wǎng)絡(luò)信息論研究的三個(gè)基本問題，并對網(wǎng)絡(luò)信息論的發(fā)展歷史進(jìn)行了簡單的回顧，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)信息論的觀點(diǎn)，對一些信息學(xué)科發(fā)展歷史中里程碑性的研究課題進(jìn)行了分析和解剖，意在展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息論的研究價(jià)值。第2章和第3章是介紹網(wǎng)絡(luò)信息論研究的基礎(chǔ)知識。例如，第2章介紹了古典Shannon信息論以及信道容量計(jì)算理論。第3章介紹了圖論的一些基礎(chǔ)知識以及關(guān)于網(wǎng)絡(luò)流的最大流最小割定理。第4章主要介紹了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息論有關(guān)簡單網(wǎng)絡(luò)的容量分析結(jié)果。第5章對多址接入網(wǎng)絡(luò)的容量進(jìn)行了歸納總結(jié)。在第6章，從應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的角度介紹了網(wǎng)絡(luò)編碼的部分結(jié)果，和Raymond Yeung等編著的“網(wǎng)絡(luò)編碼”一書在內(nèi)容上有很大的差別。在此，我們用了較多篇幅解釋網(wǎng)絡(luò)編碼發(fā)展的多個(gè)研究層面。第7章介紹了數(shù)字噴泉編碼技術(shù)，旨在推動(dòng)我國這方面的研究進(jìn)展。第8章介紹了跨層設(shè)計(jì)的幾個(gè)重要研究方向，并通過一些例子介紹跨層設(shè)計(jì)思想的應(yīng)用，最后對跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)未來的主要研究方向進(jìn)行了歸納和總結(jié)。由于本學(xué)科的飛速發(fā)展，我們無法概括網(wǎng)絡(luò)信息論涉及的所有內(nèi)容，在此作者根據(jù)自己的觀察將網(wǎng)絡(luò)信息論涉及的基本問題予以簡明的介紹，希望讀者能通過閱讀本書，對網(wǎng)絡(luò)信息論的基本概貌有更深層次的了解。　　借本書出版之際，向多年來一直關(guān)心我、培養(yǎng)我的博士生導(dǎo)師馮重熙教授致以衷心的感謝，他的指點(diǎn)和培養(yǎng)使我有機(jī)會(huì)接觸到現(xiàn)代通信學(xué)科的研究精髓。感謝清華大學(xué)電子工程系，它為我提供了一個(gè)好的研究平臺，使得我和我的研究組能夠不斷地學(xué)習(xí)與探索，保持與國際同行的交流與合作。感謝在“無線信息系統(tǒng)理論研究室”進(jìn)行學(xué)習(xí)和從事科研的研究生們。感謝國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目No.60472030、No.60572085和國家863項(xiàng)目No.2006AA01Z211的支持。最后，感謝我的妻子和孩子的理解、支持和鼓勵(lì)。

內(nèi)容概要

　　本書重點(diǎn)介紹了網(wǎng)絡(luò)信息論研究的基本問題和從事網(wǎng)絡(luò)信息論研究需要的基礎(chǔ)知識，并結(jié)合目前網(wǎng)絡(luò)信息論研究的熱點(diǎn)課題，介紹了網(wǎng)絡(luò)編碼、數(shù)字噴泉編碼以及跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)等?！　”緯饕獌?nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)信息論概論、傳統(tǒng)的信道容量分析、圖論與網(wǎng)絡(luò)信息流、簡單網(wǎng)絡(luò)的信道容量、多址信道的容量分析、網(wǎng)絡(luò)編碼、數(shù)字噴泉技術(shù)以及通信網(wǎng)絡(luò)的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)理論等。通過對這些內(nèi)容的介紹，使讀者能更加深入地了解有關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息論的進(jìn)展，并能開展相關(guān)方面的研究工作，推動(dòng)我國在網(wǎng)絡(luò)信息論方面的研究。　　本書是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息論的入門教材，可作為高等院校電子信息學(xué)科高年級本科生和研究生相關(guān)課程的教材，也可供通信工程技術(shù)人員和科研人員作為參考書。

作者簡介

　　樊平毅，博士，現(xiàn)任清華大學(xué)電子工程系教授、博士生導(dǎo)師?！　?985年在河北大學(xué)數(shù)學(xué)系獲學(xué)士學(xué)位，1990年在南開大學(xué)數(shù)學(xué)系獲碩士學(xué)位，1994年在清華大學(xué)電子工程系獲博士學(xué)位.畢業(yè)后留校任教。在1997年8月至1999年10月在香港科技大學(xué)和美國特拉華大學(xué)從事訪問研究。近幾年多次到美國、日本和香港訪問講學(xué)。目前已在國際學(xué)術(shù)期刊和國際會(huì)議發(fā)表論文130多篇，其中在IEEE、IEICE等重要國際雜志上發(fā)表論文30多篇，獲國際和國家發(fā)明專利10項(xiàng)，獲IEEE無線通信與網(wǎng)絡(luò)國際會(huì)議（WCNC08）最佳論文獎(jiǎng)。近五年內(nèi)在無線通信、網(wǎng)絡(luò)信息論和網(wǎng)絡(luò)編碼上取得一系列國際領(lǐng)先的成果。以第一作者出版著作4部，其中《現(xiàn)代通信理論基礎(chǔ)》系列被列為教育部十一五國家級規(guī)劃教材?，F(xiàn)任IEEE Transactions on Wireless Communications Wiley Wireless Communications andMobile Cornputing等四個(gè)國際著名雜志的編委（Editor），任IEEE TraIlsactlorls on Information Theory等18個(gè)國際雜志論文評審員.并多次擔(dān)任IEEE Globecom、ICC、VTC等重要國際會(huì)議的技術(shù)委員會(huì)委員或分會(huì)主席，作為大會(huì)或技術(shù)委員會(huì)主席在2004年和2007年主辦了兩個(gè)國際會(huì)議。

書籍目錄

第1章 概論1.1 網(wǎng)絡(luò)信息論研究的三個(gè)基本問題1.2 網(wǎng)絡(luò)信息論的發(fā)展歷史1.3 網(wǎng)絡(luò)信息論的應(yīng)用1.4 網(wǎng)絡(luò)信息論的未來發(fā)展方向習(xí)題參考文獻(xiàn)第2章 信道容量分析2.1 信息熵理論2.2 鏈?zhǔn)椒▌t與信息處理2.3 互信息的鏈?zhǔn)椒▌t2.4 離散信道的容量2.4.1 離散信道的容量2.4.2 信道容量的計(jì)算理論2.5 微分熵與連續(xù)信道的容量公式2.5.1 微分熵的定義2.5.2 微分熵與離散熵的關(guān)系2.5.3 相對熵與互信息2.5.4 微分熵的極值問題2.5.5 加性高斯噪聲信道的信道容量公式2.5.6 Shannon信道容量公式2.6 Fano不等式與信道編碼定理2.7 信道容量的迭代算法習(xí)題參考文獻(xiàn)第3章 圖論與網(wǎng)絡(luò)信息流3.1 圖的基本概念3.2 樹圖3.2.1 樹的基本性質(zhì)3.2.2 圖的支撐(生成)樹3.2.3 最小支撐(生成)樹及其算法3.3 最短路徑問題及算法3.3.1 狄克斯拉（Dijkstra）算法3.3.2 福特摩爾貝爾曼(Ford Moore Bellman)算法3.4 網(wǎng)絡(luò)最大流3.4.1 基本概念與定義3.4.2 最大流的計(jì)算——Ford Fulkerson算法3.5 最小代價(jià)最大流問題3.6 信息流理論介紹習(xí)題參考文獻(xiàn)第4章 簡單網(wǎng)絡(luò)的信道容量4.1 引言4.2 并行高斯信道的容量4.3 有色高斯噪聲信道的容量4.4 基于反饋機(jī)制的高斯信道的容量4.5 廣播信道的容量4.5.1 幾個(gè)典型廣播信道的例子4.5.2 廣播信道的一些基本定義4.5.3 幾個(gè)廣播信道的容量域分析4.5.4 改進(jìn)的廣播信道的容量界4.6 接力通信系統(tǒng)的信道容量4.7 非完全信息的接力模式的容量4.8 合作模式的傳輸容量4.9 有待研究的問題習(xí)題參考文獻(xiàn)第5章 多址信道的容量分析5.1 引言5.2 高斯多址信道的容量5.3 中心控制模式的多址系統(tǒng)5.3.1 固定用戶發(fā)送功率的時(shí)分多址系統(tǒng)5.3.2 固定系統(tǒng)內(nèi)平均發(fā)送功率的時(shí)分多址系統(tǒng)5.3.3 頻分多址系統(tǒng)5.3.4 碼分多址系統(tǒng)5.4 高斯多址信道容量的實(shí)現(xiàn)模式討論5.5 多信源編碼問題5.6 隨機(jī)多址信道的容量分析5.6.1 多址接入系統(tǒng)的模型5.6.2 單時(shí)隙可實(shí)現(xiàn)的傳輸容量的定義5.6.3 基本的編碼與解碼策略5.6.4 公平準(zhǔn)則下系統(tǒng)的最大可實(shí)現(xiàn)速率5.7 隨機(jī)多址衰落信道的容量分析5.7.1 Rayleigh信道模型的基本特征5.7.2 可實(shí)現(xiàn)傳輸速率分析5.7.3 公平準(zhǔn)則下系統(tǒng)的最大可實(shí)現(xiàn)速率5.8 未來的研究方向習(xí)題參考文獻(xiàn)第6章 網(wǎng)絡(luò)編碼6.1 引言6.2 網(wǎng)絡(luò)編碼的存在性6.3 網(wǎng)絡(luò)編碼的增益6.4 網(wǎng)絡(luò)編碼的構(gòu)造方法6.4.1 線性網(wǎng)絡(luò)編碼方法6.4.2 代數(shù)型網(wǎng)絡(luò)編碼方法6.4.3 隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼方法6.5 網(wǎng)絡(luò)編碼的復(fù)雜度分析6.5.1 有線組播網(wǎng)絡(luò)中編碼節(jié)點(diǎn)的數(shù)目分析6.5.2 無線自組織網(wǎng)絡(luò)中編碼節(jié)點(diǎn)數(shù)目分析6.6 網(wǎng)絡(luò)編碼的實(shí)現(xiàn)問題6.6.1 網(wǎng)絡(luò)編碼的容量性能分析6.6.2 網(wǎng)絡(luò)編碼的延時(shí)模型6.7 網(wǎng)絡(luò)編碼的機(jī)會(huì)調(diào)度策略6.7.1 機(jī)會(huì)調(diào)度策略的原理6.7.2 機(jī)會(huì)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)編碼的性能分析6.8 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼6.9 應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)編碼6.1 0網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用6.1 1網(wǎng)絡(luò)編碼與業(yè)務(wù)保密6.1 2網(wǎng)絡(luò)編碼的發(fā)展趨勢習(xí)題參考文獻(xiàn)第7章 數(shù)字噴泉技術(shù)7.1 引言7.2 數(shù)字噴泉碼的設(shè)計(jì)策略7.3 隨機(jī)線性數(shù)字噴泉編碼7.4 LT碼7.5 Raptor碼7.6 信道的噴泉容量7.7 Turbo噴泉編碼7.7.1 并行Turbo噴泉7.7.2 MultipleTurbo噴泉7.7.3 Turbo噴泉的性能比較7.8 數(shù)字噴泉技術(shù)的應(yīng)用7.9 數(shù)字噴泉碼的發(fā)展習(xí)題參考文獻(xiàn)第8章 通信網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)理論8.1 網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)8.1.1 應(yīng)用層8.1.2 表示層8.1.3 會(huì)話層8.1.4 傳輸層8.1.5 網(wǎng)絡(luò)層8.1.6 數(shù)據(jù)鏈路層8.1.7 物理層8.2 網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)模式介紹8.3 跨層設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用8.4 無線網(wǎng)絡(luò)的信息容量8.4.1 網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量8.4.2 網(wǎng)絡(luò)的信息流容量8.4.3 網(wǎng)絡(luò)的吞吐量8.5 無線網(wǎng)絡(luò)的路由選擇與優(yōu)化8.5.1 純路由處理技術(shù)8.5.2 干擾控制路由處理技術(shù)8.6 合作通信8.7 無線網(wǎng)絡(luò)的空間處理8.7.1 Rayleigh衰落信道下的網(wǎng)絡(luò)模型8.7.2 數(shù)據(jù)傳輸層模型8.7.3 幾個(gè)基本概念與應(yīng)用8.8 未來的研究方向習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　概論　　網(wǎng)絡(luò)信息論，作為一個(gè)新興的通信研究領(lǐng)域，已引起國際學(xué)術(shù)界的廣泛重視。為了能使讀者盡快了解有關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息論的發(fā)展概況以及未來的研究方向，在本章中，我們簡略地介紹這方面的內(nèi)容，其中包括網(wǎng)絡(luò)信息論研究的幾個(gè)基本問題、網(wǎng)絡(luò)信息論的發(fā)展歷史、與網(wǎng)絡(luò)信息論有關(guān)的部分應(yīng)用以及未來的研究方向等?！　?.1　網(wǎng)絡(luò)信息論研究的三個(gè)基本問題　　近20年來，通信技術(shù)得到飛速發(fā)展，數(shù)字通信的概念已被整個(gè)社會(huì)所接受，電子信息社會(huì)化程度越來越高。在世界上，城市信息化與信息網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋已成為當(dāng)前發(fā)展的主流。作為信息交流的載體，信息通信日益成為人們生活中的重要組成部分，像衣、食、住、行一樣，被現(xiàn)代人稱為第五類生活必需品。隨著通信需求程度的日益提高，隨之而來的是，對通信信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化處理技術(shù)的要求也越來越高。因此，信息網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、建設(shè)與管理變得越來越重要?！　≡谶@樣一個(gè)大背景下，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)與管理以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)容量的評估方法都難以適應(yīng)現(xiàn)代通信發(fā)展的需求。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要依據(jù)的是ISO定義的層次化的網(wǎng)絡(luò)模型，該網(wǎng)絡(luò)理論將物理層看成一個(gè)信息通信的管道，通過分層屏蔽掉物理層對網(wǎng)絡(luò)層的影響，以排隊(duì)理論為基礎(chǔ)，通過控制網(wǎng)絡(luò)流的路由和交換作為信息處理手段，通過評估網(wǎng)絡(luò)接入接口的容量推算整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的承載能力，這樣的網(wǎng)絡(luò)容量估計(jì)并非真正體現(xiàn)信息流端到端的網(wǎng)絡(luò)容量，所以網(wǎng)絡(luò)的空閑程度以及網(wǎng)絡(luò)的資源利用效率的評估也是不合理的。另一方面，隨著通信業(yè)務(wù)的種類變化，數(shù)據(jù)傳輸逐漸成為通信業(yè)務(wù)的主要組成部分，話音通信在整個(gè)通信業(yè)務(wù)中的份額越來越小，傳統(tǒng)的基于排隊(duì)理論的業(yè)務(wù)量分析理論在容量估算中帶來的偏差越來越大。因此，基于網(wǎng)絡(luò)信息流的自相似分析理論開始變得活躍，并得到應(yīng)用。為此，在理論上，如何準(zhǔn)確客觀地評估一個(gè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的信息容量成為網(wǎng)絡(luò)信息論研究的一個(gè)重要問題。

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