Exploiting Network Coding in Lossy Wireless Networks

Abstract

Benutzer sind für Geschäfts- und Unterhaltungsanwendungen zunehmend abhängig von Wireless LANs (WLANs). Es ist bekannt, dass drahtlose Verbindungen anfällig für Fehler sind und erneute Ubertragungen benötigen um Fehler und Paketverluste auszugleichen. In früheren Arbeiten wurde vorgeschlagen, Netzwerk-Codierung (NC) zu verwenden, um erneute MAC-Layer Übertragungen in WLANs effizienter zu gestalten. Allerdings ist das vorgeschlagene Design unabhängig von den unterliegenden physikalischen Schichten und den Fähigkeiten und Algorithmen der Medienzugriffskontrolle (MAC). Dieses unabhängige Design kann zu einer ineffizienten Verwendung des Zugewinns durch Netzwerk-Codierung führen oder sogar die Systemleistung beeinträchtigen.Diese Dissertation präsentiert ein praktisches Schema für wiederholte, durch Netzwerk-Codierung unterstützte, MAC-Layer Übertragungen, das sogenannte XOR Rescue (XORR). Anders als vorhergehende, unabhängige Netzwerk-Codierungs-Konzeptionen bietet XORR einen umfassenden Ansatz durch die Integration der Anwendung von Netzwerk-Codierung, der Anpassung an den zeit-veränderlichen drahtlosen Kanal, Fairness und Mehrfach-Geschwindigkeits-Übertragung in drahtlosen Netzwerken. Das Hauptmerkmal von XORR ist Opportunismus: Jeder Knoten stützt sich auf lokale Informationen um die beste Übertragung bzw. erneute Übertragung zu erkennen und nutzt die Vorteile, die Netzwerk-Codierung und Mehrbenutzer-Diversität bieten, wann immer sie entstehen.Die Beiträge dieser Dissertation sind vielfältig. Erstens wird eine praktische Architektur für erneute Übertragungen der Verbindungsschicht konstruiert. Dafür werden Netzwerk-Codierung und das Design der drahtlosen physikalischen und Medienzugriffskontrolle integriert. Insbesondere ist das in dieser Dissertation vorgestellte Verfahren das erste welches Netzwerk-Codierung in komplexe drahtlose Umgebungen aufnimmt. Zum Beispiel Umgebungen mit einer über die Zeit wechselnden Verbindungsqualität. Zweitens stellt diese Arbeit neue Algorithmen und Konzepte vor, die in anderen Netzwerk-Codierungsprotokollen angewandt werden können. Ein Schema für die Beurteilung des Empfangszustandes, das auf Bayeschen-Lernen basiert, kann wesentliche Kodierungsmöglichkeiten ohne zusätzlichen Overhead bieten. Ein Framework für faires opportunistisches Scheduling, welches Network-Kodierung nutzt, wird entworfen mit dem Ziel den Goodput zu maximieren und Fairness zu gewährleisten. Eine neue Kodierungsmetrik, nämlich der erwartete Goodput, wird entworfen um den Zugewinn durch Netzwerk-Codierung und Mehrbenutzer-Diversität auszunutzen. Das Konzept der Fairness von Netzwerk-Codierung wird vorgeschlagen. Dabei wird nicht nur das faire Teilen von Ressourcen garantiert sondern auch die Leistung für jede drahtlose Station verbessert im Vergleich zu Systemen, die keine Kodierung verwenden. Schlieslich präsentieren wir eine theoretische Analyse und ausgiebige Simulationen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass XORR nicht-codierendes, faires, opportunistisches Scheduling sowie 802.11 mit 25% bzw. 40% übertrifft.