Optimization of Random Linear Network Coding protocols for multipath communications in heterogeneous networks

Abstract

In the next upcoming mobile generation era (5G), the demands for high-data-rate transmissions is predicted to grow considerably. Among new studies focused on how to support such demands, Random Linear Network Coding (RLNC) has taken an important place for improving the performance of the network. In this thesis, the problem, arising from combining an RLNC protocol with multi-path communications, is considered. This thesis seeks to improve an RLNC protocol aimed for transmissions in multipath communications by enhancing an implementation of an RLNC protocol called PACEMG (PACE multi-generation). PACEMG is a protocol created in the Deutsche Telekom Chair of Communication Networks (TU-Dresden) which aims to support non-sequential arrival of packets from different generations by managing multiple generations simultaneously. This disordered arrival of information is highly probable to happen in multipath communications. Nodes that execute Random Linear Network Coding can perform three different activities: encode, recode and decode, hence, RLNC protocols are divided into three main parts that go by the name of encoder, decoder and recoder. The main objective of this thesis is to improve the PACEMG protocol by developing the recoder. Furthermore, some aspects of the encoder and decoder will be improved. Subsequently, its performance will be examined and some features will be compared to PACEMG previous version PACE. A program to perform an emulation of a network is required so as to test the behavior of the protocol. This thesis shows an improved RLNC approach to widen the use of Network Coding in communications, particularly multi-path communications. The advantages and constraints of using certain configurations of the recoder, precisely, four different configurations, will be presented. Finally, conclusions are drawn concerning the coefficients used in the coders with an approach that tries to overcome them.

En la próxima era de la generación móvil (5G), se prevé un considerable aumento en las demandas de transmisiones de datos de alta velocidad. Entre los nuevos estudios centrados en cómo satisfacer dichas demandas, el método llamado "Random Linear Netowork Coding" (RLNC) ha ocupado un lugar importante para mejorar el rendimiento de la red. En esta tesis, se considera el problema que surge de la combinación de un protocolo RLNC con comunicaciones multi-camino. Esta tesis busca mejorar un protocolo RLNC enfocado a transmisiones en comunicaciones de múltiples rutas mediante la mejora de una implementación de un protocolo RLNC llamado PACEMG (PACE multi-generacion). PACEMG es un protocolo creado en la Deutsche Telekom Chair of Communication Networks (TU-Dresden) que tiene como objetivo manejar la llegada no secuencial de paquetes de diferentes generaciones mediante la manipulación de varias generaciones simultáneamente. Esta llegada desordenada de paquetes es muy probable que ocurra en comunicaciones multi-camino. Los nodos que ejecutan RLNC pueden realizar tres actividades diferentes: codificar, recodificar y descodificar, por lo tanto, los protocolos RLNC se dividen en tres partes principales que llevan el nombre de codificador, decodificador y recodificador. El objetivo principal de esta tesis es mejorar el protocolo PACEMG mediante el desarrollo del recodificador. Además, se mejorarán algunos aspectos del codificador y decodificador. Posteriormente, se examinará su rendimiento y se compararán algunas características con la versión anterior (uni-generacion) PACE de PACEMG. Se requiere un programa para realizar una simulación de una red a fin de probar el comportamiento del protocolo. Esta tesis muestra un enfoque RLNC mejorado para ampliar el uso de la codificación de red en las comunicaciones, en particular las comunicaciones que emplean múltiples caminos. Se presentarán las ventajas y limitaciones de usar ciertas configuraciones del re-codificador, precisamente, cuatro configuraciones diferentes. Finalmente, se extraen conclusiones sobre los coeficientes utilizados en los codificadores con un enfoque que intenta superarlos.

En la propera era de la generació mòbil (5G), es preveu un considerable augment en les demandes de transmissions de dades d'alta velocitat. Entre els nous estudis centrats en com satisfer aquestes demandes, el mètode anomenat "Random Linear Netowork Coding" (RLNC) ha ocupat un lloc important per millorar el rendiment de la xarxa. En aquesta tesi, es considera el problema que sorgeix de la combinació d'un protocol RLNC amb comunicacions multi-camí. Aquesta tesi busca millorar un protocol RLNC enfocat a transmissions en comunicacions de múltiples rutes mitjançant la millora d'una implementació d'un protocol RLNC anomenat PACEMG (PACE multi-generació). PACEMG és un protocol creat a la Deutsche Telekom Chair of Communication Networks (TU-Dresden) que té com a objectiu gestionar l'arribada no seqüencial de paquets de diferents generacions mitjançant la manipulació de diverses generacions simultàniament. Aquesta arribada desordenada de paquets és molt probable que passi en comunicacions multi-camí. Els nodes que executen RLNC poden realitzar tres activitats diferents: codificar, recodificar i descodificar, per tant, els protocols RLNC es divideixen en tres parts principals que porten el nom de codificador, descodificador i recodificador. L'objectiu principal d'aquesta tesi és millorar el protocol PACEMG mitjançant el desenvolupament del recodificador. A més, es milloraran alguns aspectes del codificador i descodificador. Posteriorment, s'examinarà el seu rendiment i es compararan algunes característiques amb la versió anterior (uni-generació) PACE de PACEMG. Es requereix un programa per realitzar una simulació d'una xarxa per tal de provar el comportament del protocol. Aquesta tesi mostra un enfocament RLNC millorat per ampliar l'ús de la codificació de xarxa en les comunicacions, en particular les comunicacions que fan servir múltiples camins. Es presentaran els avantatges i limitacions d'usar certes configuracions del recodificador, precisament, quatre configuracions diferents. Finalment, s'extreuen conclusions sobre els coeficients utilitzats en els codificadors amb un enfocament que intenta superar-los.