Network coding for quality of service in wireless multi-hop networks

par Youghourta Benfattoum

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Khaldoun Al Agha et de Steven Martin.

Soutenue le 15-11-2012

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Informatique de Paris-Sud , en partenariat avec Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Codage réseau pour la qualité de service dans les réseaux sans fil multi-sauts


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’application du codage réseau pour garantir la qualité de service (QoS) dans les réseaux sans fil multi-sauts. Comme le support de transmission est partagé, les réseaux sans fil souffrent de l’impact négatif des interférences sur la bande passante. Il est alors intéressant de proposer une approche basée sur le codage réseau qui prenne en compte ces interférences durant le processus de routage. Dans ce contexte, nous proposons d’abord un algorithme minimisant l’impact des interférences pour des flux unicast tout en respectant la bande passante qu’ils exigent. Puis, nous le combinons avec le codage réseau afin d’augmenter le nombre des flux acceptés et avec le contrôle de topologie pour améliorer davantage la gestion des interférences. Nous montrons par simulation l’intérêt de combiner les trois domaines : codage réseau, gestion des interférences et contrôle de topologie. Nous abordons également la gestion du délai pour les flux multicast et utilisons le codage réseau basé sur les générations (GBNC) qui combine les paquets par bloc. La plupart des travaux portant sur le GBNC considèrent une taille de génération fixe mais à cause des variations de l’état du réseau le délai de décodage et de récupération du bloc de paquets peut varier, dégradant la QoS. Pour résoudre ce problème, nous proposons une méthode qui ajuste la taille de la génération de façon dynamique pour respecter un certain délai de décodage avec prise en compte des contextes réseau et contenu. De plus, nous améliorons notre approche pour contrecarrer les pertes des acquittements. Puis, nous proposons de l’utiliser dans un réseau de domicile pour la diffusion de vidéo à la demande. Notre solution améliore la QoS et la qualité d’expérience pour l’utilisateur final sans équipement additionnel. Finalement, nous abordons un sujet plus théorique dans lequel nous présentons un nouveau réseau basé sur le schéma Butterfly pour des flux multi-sources multi-destinations. Nous caractérisons la taille du buffer du nœud source en utilisant la théorie des files d’attente et montrons qu’elle correspond aux résultats de simulation.


  • Résumé

    In this thesis we deal with the application of Network Coding to guarantee the Quality of Service (QoS) for wireless multi-hop networks. Since the medium is shared, wireless networks suffer from the negative interference impact on the bandwidth. It is thus interesting to propose a Network Coding based approach that takes into account this interference during the routing process. In this context, we first propose an algorithm minimizing the interference impact for unicast flows while respecting their required bandwidth. Then, we combine it with Network Coding to increase the number of admitted flows and with Topology Control to still improve the interference management. We show by simulation the benefit of combining the three fields: Network Coding, interference consideration and Topology Control. We also deal with delay management for multicast flows and use the Generation-Based Network Coding (GBNC) that combines the packets per blocks. Most of the works on GBNC consider a fixed generation size. Because of the network state variations, the delay of decoding and recovering a block of packets can vary accordingly degrading the QoS. To solve this problem, we propose a network-and content-aware method that adjusts the generation size dynamically to respect a certain decoding delay. We also enhance it to overcome the issue of acknowledgement loss. We then propose to apply our approach in a Home Area Network for Live TV and video streaming. Our solution provides QoS and Quality of Experience for the end user with no additional equipment. Finally, we focus on a more theoretical work in which we present a new Butterfly-based network for multi-source multi-destination flows. We characterize the source node buffer size using the queuing theory and show that it matches the simulation results.


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