Exploiting Network Coding in Lossy Wireless Networks
Exploiting Network Coding in Lossy Wireless Networks
by Fang-Chun Kuo
Date of Examination:2009-02-16
Date of issue:2009-06-08
Advisor:Prof. Dr. Xiaoming Fu
Referee:Prof. Dr. Dieter Hogrefe
Referee:Prof. Dr. Jon Crowcroft
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2556
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Size:670.Kb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract
English
Users increasingly depend on Wireless LANs (WLANs) for business and entertainment. It is well-known that wireless links are error-prone and require retransmissions to recover from errors and packet losses. Previous work proposed to use network coding (NC) for more efficient MAC-layer retransmissions in WLANs. However, their design is independent from underlying physical layer and MAC capabilities and algorithms. These independent design may result in inefficient utilization of network coding gain, or even impair system performance.This dissertation presents a practical network coding-aided MAC layer retransmission scheme, namely XOR Rescue (XORR). Unlike previous independent network coding design, XORR provides a global approach by integrating the utilization of network coding, adaptation to time-varying wireless channel, fairness, and multi-rate transmission in wireless networks. The main characteristic of XORR is opportunism: each node relies on local information to detect the best transmission/retransmission and exploits the benefits provided by both network coding and multiuser diversity whenever they arise.The contributions of this dissertation are multifold. First, it builds a practical link layer retransmission architecture by integrating network coding and wireless physical and MAC design. Specifically, the system presented in this dissertation is the first to accommodate network coding into complex wireless environments, e.g. time-varying link quality. Second, the work presents novel algorithms and introduces new concepts which may be applicable to other wireless network coding protocols. A Bayesian-learning based estimation scheme for evaluating reception status can providing substantially coding opportunities without extra overheads. A framework of an network coding aware fair opportunistic scheduling is designed with the objective of maximizing the system goodput as well as maintaining fairness.A new coding metric, namely expected goodput, is devised for exploiting the gain of network coding and multiuser diversity. The concept of network coding fairness is proposed, where not only the fair resource share is guarantee but also the performance for every wireless station is improved compared to non-coding scheme. Finally, we present theoretical analysis and extensive simulations. Our results show that XORR outperforms the non-coding fair opportunistic scheduling and 802.11 by 25% and 40%, respectively.
Keywords: Network coding; WLAN; Wireless networks; ARQ; Retransmission; MAC; 802.11
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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.
Schlagwörter: Netzwerk-Codierung; WLAN; Wireless Netzwerk
