Centralized and distributed address correlated network coding protocols

par Samih Abdul-Nabi

Thèse de doctorat en Electronique et Télécommunications

Sous la direction de Jean-François Hélard.

Le président du jury était Guillaume Gellé.

Le jury était composé de Jean-François Hélard, Guillaume Gellé, Jean-Pierre Cances, Michel Terré, Ayman Khalil, Philippe Mary.

Les rapporteurs étaient Jean-Pierre Cances, Michel Terré.

  • Titre traduit

    Optimisation et application du codage réseau dans l'architecture des futurs réseaux sans fils


  • Résumé

    Le codage de reseau (CR) est une nouvelle technique reposant, sur la realisation par les noeuds du reseau, des fonctions de codage et de decodage des donnees afin d’ameliorerle debit et reduire les retards. En utilisant des algorithmes algebriques, le codage consiste àcombiner ensemble les paquets transmis et le decodage consiste à restaurer ces paquets. Cette operation permet de reduire le nombre total de transmissions de paquets pour echanger les donnees, mais requiere des traitements additionnels au niveau des noeuds. Le codage de reseau peut etre applique au niveau de differentes couches ISO.Toutefois dans ce travail, sa mise en noeuvre est effectuee au niveau de la couche reseau. Dans ce travail de thèse, nous presentons des techniques de codage de reseau s’appuyantsur de nouveaux protocoles permettant d’optimiser l’utilisation de la bande passante,D’ameliorer la qualite de service et de reduire l’impact de la perte de paquets dans les reseaux a pertes. Plusieurs defis ont ete releves notamment concernant les fonctions de codage/decodage et tous les mecanismes connexes utilises pour livrer les paquets echanges entre les noeuds. Des questions comme le cycle de vie des paquets dans le reseau, lacardinalite des messages codes, le nombre total d’octets transmis et la duree du temps de maintien des paquets ont ete adressees analytiquement, en s’appuyant sur des theoremes, qui ont ete ensuite confirmes par des simulations. Dans les reseaux a pertes, les methodes utilisees pour etudier precisement le comportement du reseau conduisent a la proposition de nouveaux mecanismes pour surmonter cette perte et reduire la charge.Dans la premiere partie de la these, un etat de l’art des techniques de codage de reseauxest presente a partir des travaux de Alshwede et al. Les differentes techniques sont detaillees mettant l’accent sur les codages lineaires et binaires. Ces techniques sont decrites en s’appuyant sur differents scenarios pour aider a comprendre les avantages etles inconvenients de chacune d’elles. Dans la deuxieme partie, un nouveau protocole base sur la correlation des adresses (ACNC) est presente, et deux approches utilisant ce protocole sont introduites ; l’approche centralisee ou le decodage se fait aux noeuds d’extremites et l’approche distribueeou chaque noeud dans le reseau participe au decodage. Le decodage centralise est elabore en presentant d’abord ses modeles de decision et le detail du decodage aux noeuds d’extremites. La cardinalite des messages codes recus et les exigences de mise en mémoire tampon au niveau des noeuds d’extremites sont etudiees et les notions d’age et de maturite sont introduites. On montre que le decodage distribue permet de reduire la charge sur les noeuds d’extremite ainsi que la memoire tampon au niveau des noeuds intermediaires. La perte et le recouvrement avec les techniques de codage de reseau sont examines pour les deux approches proposees. Pour l’approche centralisee, deux mecanismes pour limiter l’impact de la perte sont presentes. A cet effet, le concept de fermetures et le concept dessous-ensembles couvrants sont introduits. Les recouvrements optimaux afin de trouver l’ensemble optimal de paquets a retransmettre dans le but de decoder tous les paquets reçus sont definis. Pour le decodage distribue, un nouveau mecanisme de fiabilite saut a saut est propose tirant profit du codage de reseau et permettant de recuperer les paquets perdus sans la mise en oeuvre d’un mecanisme d’acquittement.


  • Résumé

    Network coding (NC) is a new technique in which transmitted data is encoded and decoded by the nodes of the network in order to enhance throughput and reduce delays. Using algebraic algorithms, encoding at nodes accumulates various packets in one message and decoding restores these packets. NC requires fewer transmissions to transmit all the data but more processing at the nodes. NC can be applied at any of the ISO layers. However, the focus is mainly on the network layer level. In this work, we introduce novelties to the NC paradigm with the intent of building easy to implement NC protocols in order to improve bandwidth usage, enhance QoS and reduce the impact of losing packets in lossy networks. Several challenges are raised by this thesis concerning details in the coding and decoding processes and all the related mechanisms used to deliver packets between end nodes. Notably, questions like the life cycle of packets in coding environment, cardinality of coded messages, number of bytes overhead transmissions and buffering time duration are inspected, analytically counted, supported by many theorems and then verified through simulations. By studying the packet loss problem, new theorems describing the behavior of the network in that case have been proposed and novel mechanisms to overcome this loss have been provided. In the first part of the thesis, an overview of NC is conducted since triggered by the work of Alshwede et al. NC techniques are then detailed with the focus on linear and binary NC. These techniques are elaborated and embellished with examples extracted from different scenarios to further help understanding the advantages and disadvantages of each of these techniques. In the second part, a new address correlated NC (ACNC) protocol is presented and two approaches using ACNC protocol are introduced, the centralized approach where decoding is conducted at end nodes and the distributed decoding approach where each node in the network participates in the decoding process. Centralized decoding is elaborated by first presenting its decision models and the detailed decoding procedure at end nodes. Moreover, the cardinality of received coded messages and the buffering requirements at end nodes are investigated and the concepts of aging and maturity are introduced. The distributed decoding approach is presented as a solution to reduce the overhead on end nodes by distributing the decoding process and buffering requirements to intermediate nodes. Loss and recovery in NC are examined for both centralized and distributed approaches. For the centralized decoding approach, two mechanisms to limit the impact of loss are presented. To this effect, the concept of closures and covering sets are introduced and the covering set discovery is conducted on undecodable messages to find the optimized set of packets to request from the sender in order to decode all received packets. For the distributed decoding, a new hop-to-hop reliability mechanism is proposed that takes advantage of the NC itself and depicts loss without the need of an acknowledgement mechanism.


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