[论文解读] Network Coding as a WiMAX Link Reliability Mechanism

Surat Teerapittayanon, Kerim Fouli+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2012

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 49被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于系统内会话随机线性网络编码的IP层网络编码（NC）架构，作为分组删除信道编码以提升WiMAX链路的可靠性。在GENI WiMAX平台上的评估表明，基于NC的系统将分组丢失率降低至接近0%，与HARQ和ARQ机制相比，吞吐量最高提升5.9倍，文件传输延迟降低5.5倍。

ABSTRACT

We design and implement a network-coding-enabled reliability architecture for next generation wireless networks. Our network coding (NC) architecture uses a flexible thread-based design, with each encoder-decoder instance applying systematic intra-session random linear network coding as a packet erasure code at the IP layer, to ensure the fast and reliable transfer of information between wireless nodes. Using Global Environment for Network Innovations (GENI) WiMAX platforms, a series of point-to-point transmission experiments were conducted to compare the performance of the NC architecture to that of the Automatic Repeated reQuest (ARQ) and Hybrid ARQ (HARQ) mechanisms. At the application layer, Iperf and UDP-based File Transfer Protocol (UFTP) are used to measure throughput, packet loss and file transfer delay. In our selected scenarios, the proposed architecture is able to decrease packet loss from around 11-32% to nearly 0%; compared to HARQ and joint HARQ/ARQ mechanisms, the NC architecture offers up to 5.9 times gain in throughput and 5.5 times reduction in end-to-end file transfer delay. Our experiments show that network coding as a packet erasure code in the upper layers of the protocol stack has the potential to reduce the need for joint HARQ/ARQ schemes in the PHY/MAC layers, thus offering insights into cross-layer designs of efficient next generation wireless networks.

研究动机与目标

• 应对下一代网络中对可靠、高吞吐量无线传输日益增长的需求，特别是针对移动和宽带服务。
• 克服传统ARQ和HARQ机制在无线环境中存在的局限性，这些机制因重传开销高且对分组丢失和ACK丢失敏感而表现不佳。
• 探索在WiMAX网络中作为跨层可靠性机制在IP层部署网络编码的可行性及其性能优势。
• 证明NC可降低对物理层/媒体访问控制层联合HARQ/ARQ方案的依赖，从而实现更高效、更可靠的无线通信。
• 提供一种灵活的基于线程的NC架构，支持并发编码与解码，实现低延迟、高可靠性的数据传输。

提出的方法

• 在IP层实现一种基于线程的灵活网络编码架构，采用在有限域上的系统内会话随机线性网络编码（RLNC）。
• 将网络编码用作分组删除信道编码以保护数据块，其中每个编码分组是原始分组的随机线性组合。
• 在应用层使用Iperf和基于UDP的UFTP测量吞吐量、分组丢失率和文件传输延迟，实验在受控的点对点WiMAX传输条件下进行。
• 在GENI WiMAX平台上开展实验，比较NC与默认HARQ（追捕合并）及ARQ机制在相同无线信道条件下的性能。
• 配置冗余参数，如$N_r$（冗余分组数量）和$N_p$（并发编码器-解码器线程数），以评估性能权衡。
• 利用ACK反馈触发解码，利用任意编码分组可恢复块内任意丢失原始分组的特性，确保丢失分组以最小延迟恢复。

实验结果

研究问题

• RQ1 在WiMAX环境中，IP层的网络编码是否能在吞吐量和端到端延迟方面优于传统的ARQ和HARQ机制？
• RQ2 在不同无线信道条件下，网络编码相比ARQ和HARQ如何降低分组丢失率？
• RQ3 与可能重传多达四次的HARQ相比，NC在多大程度上减少了重传开销？
• RQ4 鉴于其基于块的恢复机制，NC架构如何在ACK分组丢失的情况下仍保持高性能？
• RQ5 不同的冗余级别（$N_r$）和并发线程数（$N_p$）对NC系统性能有何影响？

主要发现

• NC架构将平均分组丢失率从HARQ和ARQ下的11%–32%降低至几乎所有测试场景下的接近0%。
• 与HARQ及联合HARQ/ARQ机制相比，NC实现了最高达5.9倍的吞吐量增益。
• 与HARQ和ARQ相比，使用NC可将端到端文件传输延迟降低最多5.5倍。
• NC系统产生的重传开销显著更低——NC最高为100%，而HARQ因多次重传最高可达400%。
• NC在数据分组和ACK分组均丢失的情况下表现出更强的鲁棒性，因为任意编码分组均可恢复块内任意丢失的原始分组。
• 该架构的性能不受RTT限制，在高负载下仍保持高效率，避免了ARQ/HARQ中常见的MAC层缓冲区溢出问题。