The impact of coding depth on sliding window RLNC protocols
Loading...
Date
Authors
Καρέτση, Φωτεινή
Karetsi, Foteini
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής
Abstract
Type
Type of the conference item
Journal type
Educational material type
Conference Name
Journal name
Book name
Book series
Book edition
Alternative title / Subtitle
Description
5G and beyond networks are envisioned to provide services for a plethora of het erogeneous applications which pose stringent constraints regarding data rate, latency
and reliability. One of the main pillars of 5G networks is the support of Ultra-Reliable
Low-Latency Communication (URLLC). The latter will cater to multiple advanced ser vices where ultra-high reliability and low latency are pivotal requirements, such as
Virtual (VR) and Augmented (AR) Reality systems or factory automation. Towards
achieving these goals, the deployment of high-performance reliability mechanisms
is essential in order to mitigate the impact of errors. Several legacy techniques have
been utilized for that purpose. However, they usually fall short of complying with the
hard specifications of URLLC. Random Linear Network Coding (RLNC) techniques
incorporating a sliding window scheme have proved to be an enabler of URLLC.
While sliding window RLNC schemes have been broadly examined as an efficient
reliability mechanism, little do we know so far about the impact of the coding win dow size on the coding scheme’s efficiency. This issue is immensely important for
channels with varying conditions, where the coding scheme should be appropriately
adjusted to tackle the occurring errors efficiently. In this work, we examine the impact
of the coding window size on the performance of sliding window RLNC protocols.
To that end, we leverage the abstraction of coding depth to facilitate the definition of
the coding window size. First, we observe that based on the concept of coding depth,
sliding window RLNC schemes can achieve superior overall performance especially
under varying channel conditions. We provide an analytical method to select an
optimal coding depth value for specific channel conditions while considering the performance and complexity constraints of the coding scheme. We also devise an efficient
algorithm to dynamically adapt coding depth according to the dynamic channel conditions. Finally, we experimentally prove that the proposed adaptive scheme achieves
comparable or even improved performance compared to previous sliding window
RLNC models where the coding window size remains invariant.
Τα ψηφιακά δίκτυα 5ης και μεταγενέστερης γενιάς αποβλέπουν στην παροχή υπη ρεσιών για μια ποικιλία από ετερογενείς εφαρμογές που θέτουν αυστηρούς πε ριορισμούς όσον αφορά το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, τη συνολική καθυστέρηση και την αξιοπιστία. Μία από τις βασικές υπηρεσίες που σκοπεύουν να προσφέρουν αυτά τα δίκτυα είναι η εξαιρετικά αξιόπιστη, χαμηλής καθυστέρησης επικοινωνία (Ultra-Reliable Low-latency Communication, URLLC). Η υπηρεσία αυτή αφορά μια πληθώρα εφαρμογών για τις οποίες τόσο η εξαιρετικά υψηλή αξιοπιστία όσο και η χαμηλή καθυστέρηση είναι αναγκαίες απαιτήσεις, όπως είναι τα συστήματα εικο νικής και επαυξημένης πραγματικότητας και οι διαδικασίες αυτοματοποίησης των εργοστασίων. Προκειμένου να επιτευχθούν αυτοί οι αυστηροί περιορισμοί, είναι αναγκαία η αξιοποίηση μηχανισμών που εξασφαλίζουν υψηλή απόδοση και μεγάλη αξιοπιστία περιορίζοντας, παράλληλα, την επίδραση των σφαλμάτων που συμβαί νουν στο σύνδεσμο μετάδοσης. Μέχρι στιγμής, διάφορες τεχνικές έχουν χρησιμοποι ηθεί για αυτό το σκοπό. Ωστόσο, οι τεχνικές Κωδικοποίησης Δικτύου και, συγκεκρι μένα, Τυχαίας Γραμμικής Κωδικοποίησης Δικτύου, που ενσωματώνουν ένα σχήμα κυλιόμενου παραθύρου (sliding window) έχουν τη δυναμική για την επίτευξη των υψηλών προδιαγραφών αξιοπιστίας και χαμηλής καθυστέρησης. Παρόλο που τα πρωτόκολλα Κωδικοποίησης Δικτύου με κυλιόμενο παράθυρο έχουν εξεταστεί ευρέως ως αποδοτικοί μηχανισμοί που εξασφαλίζουν την αξιοπι στία, ελάχιστη αναφορά γίνεται στη βιβλιογραφία αναφορικά με την επίδραση του μεγέθους του παραθύρου κωδικοποίησης στην αποδοτικότητα του μηχανισμού. Ο κατάλληλος ορισμός του παραθύρου είναι ιδιαίτερα σημαντικός σε κανάλια με μεταβαλλόμενες συνθήκες, όπου η προσαρμογή του σχήματος κωδικοποίησης είναι αναγκαία ώστε να επιτευχθεί η επιτυχής αντιμετώπιση των σφαλμάτων που προ κύπτουν. Στην παρούσα εργασία εξετάζουμε την επίδραση του μεγέθους του παρα θύρου κωδικοποίησης στην απόδοση των πρωτοκόλλων Κωδικοποίησης Δικτύου με κυλιόμενο παράθυρο, αξιοποιώντας την έννοια του βάθους κωδικοποίησης (coding depth) για τον ορισμό του παραθύρου κωδικοποίησης. Αρχικά, επισημαίνουμε τη σπουδαιότητα του ορθού καθορισμού του παραθύρου κωδικοποίησης για την απο δοτική λειτουργία των πρωτοκόλλων. Αυτό αφορά κανάλια που είτε οι συνθήκες μετάδοσης είναι σχετικά σταθερές είτε παρατηρούνται σημαντικές μεταβολές. Κατόπιν, παρέχουμε έναν αναλυτικό τρόπο υπολογισμού του βάθους κωδικοποίησης για συγκεκριμένες συνθήκες καναλιού που μπορεί να εξασφαλίσει σχεδόν βέλτιστη απόδοση. Επιπλέον, υλοποιούμε έναν αποτελεσματικό μηχανισμό για τη δυναμική προσαρμογή του βάθους κωδικοποίησης και, επομένως, του παραθύρου κωδικοποίησης λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβαλλόμενες συνθήκες του καναλιού. Τέλος, αποδεικνύουμε ότι το προτεινόμενο δυναμικό σχήμα πετυχαίνει συγκρίσιμη ή και καλύτερη απόδοση από άλλα πρωτόκολλα Κωδικοποίησης Δικτύου με κυλιόμενο παράθυρο στα οποία το παράθυρο κωδικοποίησης παραμένει αμετάβλητο.
Τα ψηφιακά δίκτυα 5ης και μεταγενέστερης γενιάς αποβλέπουν στην παροχή υπη ρεσιών για μια ποικιλία από ετερογενείς εφαρμογές που θέτουν αυστηρούς πε ριορισμούς όσον αφορά το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, τη συνολική καθυστέρηση και την αξιοπιστία. Μία από τις βασικές υπηρεσίες που σκοπεύουν να προσφέρουν αυτά τα δίκτυα είναι η εξαιρετικά αξιόπιστη, χαμηλής καθυστέρησης επικοινωνία (Ultra-Reliable Low-latency Communication, URLLC). Η υπηρεσία αυτή αφορά μια πληθώρα εφαρμογών για τις οποίες τόσο η εξαιρετικά υψηλή αξιοπιστία όσο και η χαμηλή καθυστέρηση είναι αναγκαίες απαιτήσεις, όπως είναι τα συστήματα εικο νικής και επαυξημένης πραγματικότητας και οι διαδικασίες αυτοματοποίησης των εργοστασίων. Προκειμένου να επιτευχθούν αυτοί οι αυστηροί περιορισμοί, είναι αναγκαία η αξιοποίηση μηχανισμών που εξασφαλίζουν υψηλή απόδοση και μεγάλη αξιοπιστία περιορίζοντας, παράλληλα, την επίδραση των σφαλμάτων που συμβαί νουν στο σύνδεσμο μετάδοσης. Μέχρι στιγμής, διάφορες τεχνικές έχουν χρησιμοποι ηθεί για αυτό το σκοπό. Ωστόσο, οι τεχνικές Κωδικοποίησης Δικτύου και, συγκεκρι μένα, Τυχαίας Γραμμικής Κωδικοποίησης Δικτύου, που ενσωματώνουν ένα σχήμα κυλιόμενου παραθύρου (sliding window) έχουν τη δυναμική για την επίτευξη των υψηλών προδιαγραφών αξιοπιστίας και χαμηλής καθυστέρησης. Παρόλο που τα πρωτόκολλα Κωδικοποίησης Δικτύου με κυλιόμενο παράθυρο έχουν εξεταστεί ευρέως ως αποδοτικοί μηχανισμοί που εξασφαλίζουν την αξιοπι στία, ελάχιστη αναφορά γίνεται στη βιβλιογραφία αναφορικά με την επίδραση του μεγέθους του παραθύρου κωδικοποίησης στην αποδοτικότητα του μηχανισμού. Ο κατάλληλος ορισμός του παραθύρου είναι ιδιαίτερα σημαντικός σε κανάλια με μεταβαλλόμενες συνθήκες, όπου η προσαρμογή του σχήματος κωδικοποίησης είναι αναγκαία ώστε να επιτευχθεί η επιτυχής αντιμετώπιση των σφαλμάτων που προ κύπτουν. Στην παρούσα εργασία εξετάζουμε την επίδραση του μεγέθους του παρα θύρου κωδικοποίησης στην απόδοση των πρωτοκόλλων Κωδικοποίησης Δικτύου με κυλιόμενο παράθυρο, αξιοποιώντας την έννοια του βάθους κωδικοποίησης (coding depth) για τον ορισμό του παραθύρου κωδικοποίησης. Αρχικά, επισημαίνουμε τη σπουδαιότητα του ορθού καθορισμού του παραθύρου κωδικοποίησης για την απο δοτική λειτουργία των πρωτοκόλλων. Αυτό αφορά κανάλια που είτε οι συνθήκες μετάδοσης είναι σχετικά σταθερές είτε παρατηρούνται σημαντικές μεταβολές. Κατόπιν, παρέχουμε έναν αναλυτικό τρόπο υπολογισμού του βάθους κωδικοποίησης για συγκεκριμένες συνθήκες καναλιού που μπορεί να εξασφαλίσει σχεδόν βέλτιστη απόδοση. Επιπλέον, υλοποιούμε έναν αποτελεσματικό μηχανισμό για τη δυναμική προσαρμογή του βάθους κωδικοποίησης και, επομένως, του παραθύρου κωδικοποίησης λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβαλλόμενες συνθήκες του καναλιού. Τέλος, αποδεικνύουμε ότι το προτεινόμενο δυναμικό σχήμα πετυχαίνει συγκρίσιμη ή και καλύτερη απόδοση από άλλα πρωτόκολλα Κωδικοποίησης Δικτύου με κυλιόμενο παράθυρο στα οποία το παράθυρο κωδικοποίησης παραμένει αμετάβλητο.
Description
Keywords
Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC), Random Linear Network Coding (RLNC), Sliding window RLNC, Coding depth, Εξαιρετικά αξιόπιστη χαμηλής καθυστέρησης επικοινωνία, Κωδικοποίηση δικτύου, Κυλιόμενο παράθυρο, Βάθος κωδικοποίησης
Subject classification
Machine learning
Citation
Link
Language
en
Publishing department/division
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής
Advisor name
Παπαπέτρου, Ευάγγελος
Examining committee
Παπαπέτρου, Ευάγγελος
Λιάσκος, Χρήστος
Κόντης, Λυσίμαχος-Παύλος
Λιάσκος, Χρήστος
Κόντης, Λυσίμαχος-Παύλος
General Description / Additional Comments
Institution and School/Department of submitter
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής
Table of contents
Sponsor
Bibliographic citation
Βιβλιογραφία: σ. 60-65
Name(s) of contributor(s)
Number of Pages
65 σ.
Course details
Endorsement
Review
Supplemented By
Referenced By
Creative Commons license
Except where otherwised noted, this item's license is described as Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States