کدینگ شبکه در سال 2000 به عنوان رویکرد جدیدی در ارسال اطلاعات در شبکه های کامپیوتری مطرح شد. در این رویکرد، اطلاعاتی که در شبکه منتقل می شود را به صورت بردارهایی در میدان محدود در نظر می گیرند. با این نگاه جدید به بسته ها، مسیریاب ها تنها نقش سوییچ کردن بسته ها را به عهده ندارند، بلکه می توانند بسته ها را کد کرده و سپس ارسال نمایند. قبل از سال 2000 نیز مفهوم پایه ای کدینگ شبکه، یعنی کدکردن بسته ها در مسیریاب ها در چندین مقاله مطرح شده بود. اما ایده های مطرح شده، چندان مورد استقبال قرار نگرفتند. علت این عدم استقبال نیز نوع نگاه و نحوه کاربرد کدینگ شبکه بود. در واقع قبل از سال 2000، کدینگ در مسیریاب ها به عنوان ابزاری برای مقابله با خطا و یا کاهش تاخیر مطرح بود، اما در این سال نشان داده شد که کدینگ شبکه حتی در یک شبکه با کانال های مطمئن، بدون خطا و بدون تاخیر نیز می تواند مفید باشد. در اولین قدم، این کار منجر به افزایش گذردهی شبکه می شود. پس از آن تحقیقات زیادی درباره چگونگی کدینگ و اثر کدینگ شبکه بر پارامترهای مختلف شبکه مانند گذردهی، عدالت، قابلیت اطمینان، مصرف توان و ... انجام شده است. در این پایان نامه ابتدا به معرفی کدینگ شبکه پرداخته می شود. پس از معرفی ، مروری اجمالی بر روش های مختلف کدینگ انجام می گیرد و خصوصیات کد های ?، کدینگ خطی و کدینگ خطی تصادفی بیان می شود. در ادامه کاربرد کدینگ شبکه در شبکه های همه پخشی مانند شبکه های بی سیم بررسی می گردد. روشن می گردد که چگونه یک شبکه همه پخشی، بستری مناسب برای پیاده سازی ایده کدینگ شبکه فراهم می کند و در همین راستا کدینگ شبکه آنالوگ به عنوان روشی جدید که قابل پیاده سازی در شبکه های همه پخشی است معرفی می شود. پس از آن به بررسی نقش کدینگ شبکه در شبکه های حذفی پرداخته و عملکرد آن با دو روش دیگر مقابل با حذف، یعنی ارسال مجدد و کد های فواره ای مقایسه می شود. پس از این مقایسه سعی می شود بررسی دقیق تری راجع به مشکلات کدینگ شبکه در مقابل با حذف انجام گیرد. در این قسمت با نگاهی جدید، نقش کدینگ شبکه را در کاهش طول صف های شبکه بررسی کرده و الگوریتمی جدید برای ارسال بستهها روی یک کانال حذفی همه پخشی با استفاده از کدینگ شبکه ارائه می شود. الگوریتم ارایه شده در مقایسه با الگوریتم مطالعه شده، پیچیدگی بسیار کمتری دارد، همچنین حد اکثر تاخیر بسته ها محدود شده است. علاوه بر آن به فیدبک کمتری نیاز دارد. در مقابل الگوریتم پیشنهادی دقیقا به ظرفیت کانال نمی رسد بلکه تا حدود قابل قبولی به ظرفیت نزدیک می شود در حالیکه الگوریتم مطالعه شده نرخ بهینه است و دقیقا به ظرفیت دست می یابد.

در شبکه های بی سیم، تخصیص مناسب امکانات مستلزم طراحی الگوریتم های مسیریابی، کنترل نرخ ورودی، زمان بندی، تخصیص کانال و کنترل توان می باشد. اگر این الگوریتم ها هر یک به صورت جداگانه طراحی شوند و سپس در شبکه مورد استفاده قرار گیرند، تخصیص امکانات به صورت غیر بهینه خواهد بود و علاوه بر آن، چندباره کاریهای غیر ضروری در پیاده سازی این الگوریتم ها رخ می دهد. حال اگر الگوریتم های فوق بطور مشترک با هم طراحی شوند، می توان هم گذردهی بالاتری بدست آورد و هم اختصاص امکانات را بهتر انجام داد. نکته دیگری که توجه به آن در حل مسئله تخصیص امکانات در شبکه های بی سیم ضروری است، امکان پیاده سازی توزیع شده الگوریتم های تخصیص امکانات است. اجرای متمرکز یک الگوریتم نیاز به مبادله پیام های کنترلی و ارتباطی زیادی دارد که در شبکه های بی سیم با توجه به کمبود امکانات، چندان مناسب نخواهد بود. طی 30 سال گذشته تلاشهای تحقیقاتی متعددی در یافتن الگوریتم های توزیع شده برای مسیریابی، کنترل نرخ ورودی، زمان بندی و تخصیص کانال و نیز در جهت ترکیب این الگوریتم ها صورت گرفته است. این تحقیقات به روشن شدن بسیاری از پیچیدگی ها و ظرایف بحث کمک نموده اند. در عین حال هنوز دشواری های متعددی در یکپارچه سازی کامل این الگوریتم ها و اجرای غیر متمرکز و با قید پیچیدگی قابل قبول برای آنها وجود دارد. در این رساله ما سعی کرده ایم با بهره گیری از تحقیقات قبلی و توجه به نقاط ضعف و قوت هر یک از آنها، نگاه جدیدی به مسئله تخصیص امکانات در شبکه های بی سیم داشته باشیم. ما مسائل زمان بندی، مسیریابی، کنترل نرخ ورودی و تخصیص کانال را در شبکه های بی سیم بطور توأمان به صورت یک فرمول بندی واحد بهینه سازی محدب مورد بررسی قرار می دهیم. این روش به دلیل ترکیب شدن تخصیص کانال، زمان بندی بهینه و کنترل نرخ ورودی با یک شکل اصلاح شده از الگوریتم مسیریابی با کمترین تأخیر که پیشتر در شبکه های سیمی مطرح بوده است، بدیع است. ما با دو روش مختلف بهینه سازی به حل این مسئله پرداخته ایم و در ادامه یک الگوریتم ابتکاری برای پیاده سازی آن ارائه کرده ایم. بدین ترتیب تمایز آشکاری بین عملکرد الگوریتم ارائه شده با الگوریتم های مختلف قبلی بدست آمده است. ما با تحلیل ریاضی و همچنین شبیه سازی نشان داده ایم که الگوریتم توزیع شده بدست آمده می تواند با تنظیم برخی پارامترهای از پیش تعیین شده، عدالت و اولویت دهی را بین کاربران مختلف شبکه ایجاد کند. در مقایسه با الگوریتم های مطرح دیگری که زمان بندی و مسیریابی را بر اساس تفاضل طول صف هر محاوره در گره های همسایه انجام می دهند، الگوریتم ما با بهره گیری از الگوی ترافیکی در کل طول مسیرهای مختلف بین مبدأ و مقصد، اقدام به انتخاب بهترین مسیر برای هر بسته می کند. درنتیجه آن طور که شبیه سازی ها نشان می دهند، الگوریتم ما در موارد زیادی به مراتب بهتر از الگوریتم های رقیب عمل می کند، از جمله در زمینه تأخیر بسته ها، تعداد بسته های گم شده، تعداد گام های طی شده تا مقصد، جابجایی ترتیب بسته ها، میزان مصرف انرژی در شبکه و بالاخره سرعت همگرایی الگوریتم. بعلاوه از نظر ناحیه ظرفیت، نتایج شبیه سازی کاهشی را در الگوریتم ارائه شده گزارش نمی کنند. در ادامه ما نشان داده ایم که با توسیع فرمول بندی بدست آمده می توان کنترل توان را نیز در مسئله ادغام نمود به نحوی که الگوریتم یکپارچه حاصل شامل کنترل توان نیز بشود.

به طور کلی در پژوهش های شاخه ی مخابرات، دو دیدگاه تک لایه ای و بین لایه ای قابل تشخیصند. دیدگاه نخست، یکی از لایه های شبکه ی مخابراتی را به صورت مجزا از سایر لایه ها مورد مطالعه قرار می دهد. اما در مقابل، دیدگاه دوم یا همان دیدگاه بین لایه ای، لایه-های شبکه را به صورت همزمانمد نظر قرار داده، ارتباط ها و اثرات متقابل آن ها را لحاظ می نماید. چنین رویکردی به دلیل داشتن افق دید گسترده تر و جامع تر، در بسیاری مواقع منجر به حصول راه حل های بهتری نسبت به دیدگاه تک لایه ای می شود.ما در این پایان نامه استفاده ازدرهم نهی در سیستم های بی سیم را با یک نگرش بین لایه ایمورد بررسی قرار خواهیم داد.سیستم بی سیم مورد نظر ماشامل یک بافر ورودی، فرستنده، کانال بی سیم حافظه دار و گیرنده بوده و جهت کنترل خطا،از کدگذاری تصحیح خطا (fec) در کنار درخواست ارسال مجدد (arq) بهره می برد. فریم های اطلاعات جهت دریافت سرویس به این سیستم وارد شده، در بافر ورودی، یک صف را تشکیل می دهند و منتظر دریافت سرویس توسط مجموعه ی فرستنده، کانال و گیرنده می مانند. به این ترتیب فریم های اطلاعات از لحظه ی ورود به چنین سیستمی تا لحظه ی خروج از آن به طور متوسط متحمل تأخیری می شوند که برآیند زمان متوسط انتظار در صف (تأخیر صف) و زمان متوسط دریافت سرویس (تأخیر سرور) است. ما با طرح پیشنهادی خود نشان می دهیم می توان از درهم نهی به نحوی استفاده نمود که ضمن افزایش قابل ملاحظه ی گذردهی سیستم، کل تأخیر متوسط فریم های اطلاعات (برآیند یاد شده) حتی کم تر از تأخیر در سیستم بدون درهم نهی باشد.

روند روزافزون تمایل کاربران به کاربردهایی که نیاز به جابجایی حجم زیادی از داده دارند، باعث شده است که محققان در زمینه مخابرات، با انگیزه ای مضاعف در جستجوی قابلیت هایی در سیستم های مخابراتی باشند که برای افزایش کارائی این سیستم ها مفید باشد. یکی از ویژگی های جالب سیستم های بی سیم چند کاربری، مانند شبکه های بی سیم سلولی، وجود تنوع چند کاربری در آن ها است. به این معنی که در این سیستم ها می توان امیدوار بود که هنگامی که کانال یک کاربر دچار محوشدگی شدید می شود، کاربر دیگری را بتوان یافت که دارای وضعیت کانال مناسبی است و فرصت مخابره را به او تخصیص داد. استفاده از این مفهوم موجب افزایش گذردهی کل در سیستم چند کاربری می شود و زمینه های تحقیقاتی متنوعی را به وجود آورده است. با به کارگیری سیاست بسیار ساده ای برای تخصیص کانال، می توان به طور کامل از تنوع چند کاربری موجود در سیستم بی سیم استفاده نمود. تحت این سیاست، کانال ارتباطی بایستی در هر لحظه به کاربری که بهترین وضعیت کانال را داراست و می تواند بیشترین تبادل داده را صورت دهد، اختصاص داده شود. واضح است که سیاست فوق در حالت کلی غیرعادلانه است؛ زیرا به کاربری که به طور متوسط وضعیت کانال بدی دارد، فرصت ناچیزی داده خواهد شد. در این پایان نامه، استفاده از تنوع چند کاربری به همراه شرط رعایت عدالت در سرویس دهی به کاربران در تخصیص کانال در سیستم های بی سیم چند کانالی مورد بررسی قرار می گیرد. در این راه، تعاریف دقیقی برای عدالت ارائه شده و با استفاده از این تعاریف مسئله تخصیص مورد نظر به صورت مسئله های بهینه سازی بیان می شود. نتیجه این تحقیق، دو سیاست تخصیص بهینه برای سیستم چند کانالی، متناظر با دو تعریف از تعاریف ذکر شده برای عدالت است که بهینگی آن ها برای حل مسئله های تخصیص متناظر اثبات شده است. همچنین جهت پیاده سازی عملی، برای هر کدام از سیاست های به دست آمده روش مناسبی مطرح شده است. کارائی سیاست ها و روش های به دست آمده، با استفاده از شبیه سازی نشان داده شده است.

با معرفی کدینگ شبکه، ظرفیت ارسال اطلاعات مشابه از یک گره ی مبدا به چند گره ی مقصد، در شبکه های نقطه به نقطه و شبکه های حذفی پخشی به دست آمد. برای حصول ظرفیت در این شبکه ها، گره های شبکه بسته های هر یال ورودی را در زمان های مختلف دریافت و ذخیره کرده و سپس عملیات کدینگ شبکه را بر روی تمامی این بسته ها انجام می دهند. لیکن این نوع کدگذاری همواره مناسب نیست. برای مثال ممکن است بافر موجود در هر گره قابلیت ذخیره ی بسته های دریافتی در زمان های مختلف را نداشته باشد و یا ممکن است به علت تغییرات کند رخداد حذف، انجام کدینگ زمانی فاقد کارایی لازم باشد. در چنین شرایطی، کدگذاری تنها بر روی بسته هایی اعمال می گردد که در همان لحظه از طریق یال های مختلف ورودی به گره وارد می شوند. با توجه به حذف وجه زمانی کدینگ، این نوع از کدگذاری را کدینگ فضایی شبکه می نامیم. با توجه به آنکه در تعاریف رایج برای ظرفیت، قیدی بر روی نحوه ی انجام کدینگ شبکه وجود نداشت، در این پایان نامه، ابتدا تعریف جدیدی از ظرفیت شبکه تحت یک مجموعه ی مقید از کدهای شبکه ارائه می دهیم. سپس ظرفیت یک ارسال یک به چند را در شبکه های حذفی نقطه به نقطه و پخشی، تحت مجموعه ای از کدهای شبکه به نام کدینگ فضایی شبکه به دست میآوریم. ابتدا شبکه های نقطه به نقطه را در نظر می گیریم. نشان می دهیم که ظرفیت یک ارسال یک به یک تحت کدینگ فضایی شبکه برابر است با متوسط آماری بر روی ارزش برش مینیمم گراف شبکه تحت رخدادهای حذف مختلف. پس از آن ثابت می کنیم که ظرفیت ارسال یک به چند تحت کدینگ فضایی شبکه برابر مینیمم ظرفیت ارسال های یک به یک مندرج در ارسال یک به چند می شود. نکته ی قابل توجه آن است که این ظرفیت از متوسط آماری ظرفیت ارسال یک به چند تحت رخدادهای حذف مختلف بیشتر است. پس از آن به ظرفیت شبکه های پخشی بدون تداخل تحت کدینگ فضایی شبکه می پردازیم. با تعمیم مفهوم برش و ارزش برش مینیمم به این شبکه ها، ثابت می کنیم که نتایج شبکه های نقطه به نقطه را می توان به این شبکه ها تسری داد. برای اثبات این موضوع یک شبکه ی نقطه به نقطه ی معادل برای شبکه ی پخشی ارائه کرده و بین کدهای شبکه ی این دو شبکه ی معادل، یک رابطه ی هم ارزی ایجاد می کنیم. در ادامه و برای بررسی کارایی کدینگ فضایی شبکه، ظرفیت شبکه های لایه ای حذفی را در دو حالت نقطه به نقطه و پخشی تحت مجموعه های مختلف کدینگ بررسی می کنیم. سپس اندازه ی شبکه ی لایه ای را به گونه ای به سمت بی نهایت میل می دهیم که تعداد گره ها در هر لایه سریع تر از تعداد لایه ها رشد کند. تحت این شرایط نشان می دهیم که با بزرگ شدن شبکه ی لایه ای، نسبت ظرفیت تحت کدینگ فضایی شبکه به ظرفیت تحت کدینگ عام شبکه به یک میل می کند.