[論文レビュー] Random Linear Network Coding For Time Division Duplexing: When To Stop Talking And Start Listening

Daniel E. Lucani, Milica Stojanovic+1 more|ArXiv.org|Sep 13, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、時間分割多重（TDD）チャネルにおけるランダム線形ネットワークコーディング方式を提案し、ACKを受信するまでの連続送信パケット数を最適化することで平均完了時間を最小化する。主な貢献は、遅延、パケット消失確率、ACKの消失確率に依存する最適なコーデッドパケット数を選択することで、フルデュプレックスシステムに近い性能を達成できることを示したことである。これは、高遅延および高エラー環境下でARQ方式に比べ顕著な性能向上を実現する。

ABSTRACT

A new random linear network coding scheme for reliable communications for time division duplexing channels is proposed. The setup assumes a packet erasure channel and that nodes cannot transmit and receive information simultaneously. The sender transmits coded data packets back-to-back before stopping to wait for the receiver to acknowledge (ACK) the number of degrees of freedom, if any, that are required to decode correctly the information. We provide an analysis of this problem to show that there is an optimal number of coded data packets, in terms of mean completion time, to be sent before stopping to listen. This number depends on the latency, probabilities of packet erasure and ACK erasure, and the number of degrees of freedom that the receiver requires to decode the data. This scheme is optimal in terms of the mean time to complete the transmission of a fixed number of data packets. We show that its performance is very close to that of a full duplex system, while transmitting a different number of coded packets can cause large degradation in performance, especially if latency is high. Also, we study the throughput performance of our scheme and compare it to existing half-duplex Go-back-N and Selective Repeat ARQ schemes. Numerical results, obtained for different latencies, show that our scheme has similar performance to the Selective Repeat in most cases and considerable performance gain when latency and packet error probability is high.

研究の動機と目的

• ノードが同時に送信と受信ができないTDDチャネルに最適化されたネットワークコーディング方式の不足を補うこと。
• パケット消失を伴うTDDリンクを介してM個のデータパケットを送信する際の平均完了時間を最小化すること。
• 送信とフィードバック遅延のバランスを取るために、ACKを受信する前に送信するコーデッドパケットの最適数を特定すること。
• 標準的な半二重モードARQプロトコル（Go-Back-NおよびSelective Repeat）と比較し、スループットおよび遅延の観点から提案方式の性能を評価すること。
• 高遅延および高エラー確率条件下でも、個々のパケットあたりの遅延が低く保証され、ARQプロトコルよりも優れた性能を発揮することを示すこと。

提案手法

• 送信側は、受信側からのACKを受信するための一時停止の前に、N_i個のランダム線形符号化パケットを連続して送信する。
• ACKは、受信側での正常な復元に必要な残りの自由度（dofs）の数を伝える。
• 遅延、パケット消失確率、ACK消失確率を考慮し、平均完了時間を最小化する最適なN_iを求める最適化フレームワークを構築する。
• M次元の探索を避けるために、Mの値について再帰的な1次元探索により最適なN_iを計算する。
• 各ブロックが完全に送信され、確認応答を受けた後に次のブロックが開始されるブロック単位の送信モデルを採用する。
• 最適値は事前に計算し、ルックアップテーブルとして保存することで、ノードにおける実行時計算負荷を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TDDネットワークコーディングシステムにおいて、ACKを受信するための一時停止の前に送信する最適なコーデッドパケット数は何か？
• RQ2 最適な送信ブロックサイズは、遅延、パケット消失確率、ACK消失確率にどのように依存するか？
• RQ3 高遅延および高エラー条件下で、提案方式はGo-Back-NおよびSelective Repeat ARQと比較してスループットおよび遅延の観点でどのように異なるか？
• RQ4 提案方式は、半二重モードのTDD環境下で、フルデュプレックスシステムの性能に近いものに到達できるか？
• RQ5 ARQプロトコルが個々のパケットを再順序付けまたは無期限に遅延させるのとは異なり、本方式は個々のパケットあたりの遅延が低いかを保証できるか？

主な発見

• 最適なコーデッドパケット数が使用された場合、提案方式はフルデュプレックスシステムのスループット性能に非常に近い結果を達成する。
• 最適でないコーデッドパケット数を選択すると、特に高遅延および高パケットエラー確率条件下で顕著な性能劣化が生じる。
• 10 Mbpsのリンクでパケット消失確率が80%、RTTが高いため、提案方式のスループットは、Selective Repeat ARQの3倍以上にのぼった。
• 高エラー条件下では、特に遅延が高い場合、Go-Back-Nに比べて提案方式が顕著に優れた性能を示す。
• Selective Repeat ARQとは異なり、個々のデータパケットあたりの遅延が低く保証される。
• 実行時における計算負荷は無視できるほど低く、最適な送信ブロックサイズは事前に計算され、ルックアップテーブルとして保存されている。