TU Darmstadt / ULB / tuprints

Cross-Layer Bandwidth Management and Optimization in TDMA Based Wireless Mesh Networks using Network Coding

Mogre, Parag Sudhir :
Cross-Layer Bandwidth Management and Optimization in TDMA Based Wireless Mesh Networks using Network Coding.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

[img]
Preview
Dissertation Parag S. Mogre, Title: Cross-Layer Bandwidth Management and Optimization in TDMA Based Wireless Mesh Networks using Network Coding - PDF (PDF)
diss_pm_neu.pdf
Available under Simple publication rights for ULB.

Download (2462Kb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Cross-Layer Bandwidth Management and Optimization in TDMA Based Wireless Mesh Networks using Network Coding
Language: English
Abstract:

Wireless Mesh Networks (WMNs) provide a novel network architecture to extend broadband network coverage with low costs. Additionally, we see an increased interest in supporting demanding multimedia applications in next-generation wireless mesh networks. Provision of Quality of Service (QoS) in wireless mesh networks requires end-to-end support for routing packets via a suitable multihop route to the destination. However, in wireless mesh networks, if the medium access control layer does not support mechanisms for QoS support at a per-link level, all efforts for providing end-to-end QoS are futile. Hence, we see a trend towards standards for wireless mesh networks which support QoS at the Medium Access Control (MAC) level on a per-link basis. The IEEE 802.16 standard's mesh mode of operation, the IEEE 802.11s Mesh Deterministic Access (MDA) mode of operation, and upcoming sensor network standards such as the Wireless HART standard, support MAC layer QoS mechanisms. A common feature of these standards is the use of Time Division Multiple Access/Time Division Duplex (TDMA/TDD) for supporting QoS, by enabling the explicit reservation of bandwidth for data transmissions on individual links in the wireless mesh network. This has enabled the setup of wireless mesh networks which are able to support hard QoS guarantees, and are thus viable for supporting the highly demanding multimedia traffic which can be expected in such networks in future. This, makes wireless mesh networks using such standards attractive for network operators who want to extend the reach of their current wired networks, as well as cellular wireless networks to support additional traffic, and at the same time not incur exorbitant additional costs for the infrastructure setup. However, the bandwidth in such wireless mesh networks still remains a scarce resource. Recently, network coding has been investigated as a novel mechanism to permit the saving of valuable bandwidth in such wireless mesh networks for individual transmissions, thereby increasing the traffic carrying capacity of the wireless mesh networks significantly. Beginning from mainly theoretical work, recently we have also seen an effort to investigate the practical gains which can be obtained via deployment of network coding in wireless mesh networks. However, to-date, the practical investigations for deployment of network coding have been limited to wireless mesh networks based on the IEEE 802.11 standard. There have been no significant investigations on the deployment of network coding, and its benefits, in TDMA/TDD based multihop wireless mesh networks. Given, however, the fact that the next generation of wireless mesh networks would be using bandwidth reservation schemes to support advanced multimedia services, it is vital that network coding be investigated in the light of such wireless mesh networks. This work bridges the above gap. In this thesis we first demonstrate that contemporary packet-by-packet approaches to network coding are highly inefficient in reservation based TDMA WMNs. We derive thus design principles for network coding solutions in such WMNs. Based on our design principles we then go on to propose a new paradigm for network coding, Stream Oriented Network Coding (SONC). SONC makes network coding decisions and performs network coding operations at the granularity of streams. The term stream is defined in the context of SONC in this thesis to refer to a aggregation of packets arriving at a relaying node from a given prior hop and going on to the same next hop. This enables SONC to amortize the reservation overhead via network coding operations on a range of packets. We present and analyze means to identify suitable opportunities for SONC and also mechanisms to deploy these. SONC uses distributed mechanisms and a cross-layer approach to achieve its goal. Thus nodes in the WMN can deploy SONC with just local knowledge. However, the effective benefits which can be obtained via deployment of SONC can be further improved with global (WMN-wide) knowledge. Hence in the second half of the thesis we present Centrally Optimized Routing Extensions (CORE) which, as the name suggests, extends the functionality provided by the default routing algorithms in the WMN to enable more opportunities to benefit from SONC. CORE too uses a cross-layer approach and works in close collaboration with SONC. CORE's design is such that the network operator can limit the computational effort to a predefined maximum value, thereby, ensuring that it can be run in near real-time. This enables our CORE to operate in realistic networks with changing traffic demands. To demonstrate the proof-of-concept of our solutions we have implemented these using the IEEE 802.16 standard's mesh mode of operation as a prototype for reservation based TDMA WMNs. Our results show that the WMN can benefit significantly in terms of bandwidth savings and additional traffic which it may support when CORE and SONC are deployed in the network.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Drahtlose Mesh-Netze (Wireless Mesh Networks - WMN) stellen eine neue Netzarchitektur dar, um die Abdeckung von Breitbandnetzen zu niedrigen Investitionskosten zu erhöhen. Die Bereitstellung von Dienstgüte (Quality of Service - QoS) ist notwendig, um in WMN anspruchsvolle Multimediaanwendungen zu ermöglichen. Dies muss Ende-zu-Ende im WMN erfolgen und den dort eingesetzten Multihop-Routingverfahren Rechnung tragen. Hierzu ist die Unterstützung von QoS für den Medienzugriff (Medium Access Control - MAC) unabdingbar. Dies manifestiert sich in aktuellen Standardisierungsbemühungen, die Technologien zur QoS-Unterstützung auf MAC-Ebene vorschlagen: Der Mesh-Modus von IEEE 802.16, der Mesh Deterministic Access (MDA) Modus von IEEE 802.11s sowie Wireless HART aus dem Bereich der drahtlosen Sensornetze stellen ausgewählte Beispiele hierfür dar. Diesen Technologien gemeinsam ist die Nutzung von Time Division Multiple Access/Time Division Duplex (TDMA/TDD) um eine explizite Reservierung von Bandbreite zur Datenübertragung für individuelle Verbindungen im WMN zu ermöglichen. Die genannten Technologien ermöglichen die Unterstützung anspruchsvoller Multimediakommunikation und sind damit attraktiv aus Sicht von Netzbetreibern, die durch WMN-Erweiterungen die Netzabdeckung und Leistungsfähigkeit ihrer existierenden kabelgebundenen oder kabellosen Infrastrukturen erhöhen können, ohne dass deutlich höhere Investitionen in Infrastrukturkomponenten erforderlich werden. Die in drahtlosen Mesh-Netzen verfügbare Bandbreite ist beschränkt. Mit Network Coding wurde jüngst ein Verfahren vorgestellt, das signifikante Bandbreiteneinsparungen verspricht und damit die Netzkapazität von WMN deutlich erhöhen kann. Neben theoretischen Arbeiten zu Network Coding existieren erste praktische Ansätze, um dieses Verfahren in WMN einzusetzen und die real erzielbaren Leistungsgewinne zu untersuchen. Bisherige Arbeiten basieren auf der weit verbreiteten IEEE 802.11-Technologie; entsprechende Untersuchungen in reservierungsbasierten WMN auf Basis von TDMA/TDD existieren bisher nicht. Angesichts des hohen Potentials reservierungsbasierter WMN, die erst Garantien für anspruchsvolle Multimediaanwendungen ermöglichen, erscheint es vielversprechend, Network Coding in der genannten Netzklasse eingehend zu untersuchen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass existierende, paketbasierte Verfahren des Network Codings in reservierungsbasierten WMN auf Basis von TDMA extrem ineffizient sind. Es werden Designkriterien für Network Coding in entsprechenden WMN hergeleitet. Basierend auf diesen Kriterien wird ein neues Paradigma für Network Coding, das sogenannte ,,Datenstrom-basierte Network Coding'' (Stream-oriented Network Coding - SONC), vorgeschlagen. SONC trifft Codierungsentscheidungen auf der Basis von Datenströmen (streams). Hierbei wird ein Datenstrom als Folge von Datenpaketen an einem Netzknoten, der als Relay agiert, definiert. Diese Datenpakete besitzen jeweils gemeinsame Vorgänger- und Nachfolgerknoten. Die Operation auf Datenströmen lässt einen günstigeren Reservierungsaufwand entstehen, da immer ein Strom von Paketen codiert wird. In der Arbeit wird analysiert, wie mögliche und vielversprechende Codierungskonstellationen erkannt werden können und es werden Mechanismen vorgestellt, mit denen diese umgesetzt werden können. SONC nutzt hierzu verteilte Mechanismen und einen schichtenübergreifenden Ansatz. Dies ermöglicht, dass SONC im WMN umgesetzt werden kann, wenn die einzelnen Knoten ausschließlich lokale Statusinformationen zur Verfügung haben. Unter Hinzunahme WMN-globaler Statusinformationen kann die Effektivität von SONC weiter erhöht werden. In der zweiten Hälfte der Arbeit wird eine entsprechende zentral optimierte Routing-Erweiterung (Centrally Optimized Routing Extension - CORE) vorgestellt. Diese erweitert bestehende Routingverfahren in WMN, um gezielt Codierungsmöglichkeiten für SONC herbeizuführen. CORE arbeitet schichtenübergreifend in enger Abstimmung mit SONC. Hierbei erlaubt CORE dem Netzbetreiber, den maximalen Berechnungsaufwand vorzugeben und ermöglicht damit den Betrieb nahezu in Echtzeit. Dies ermöglicht den Einsatz von CORE in realistischen Netzen mit dynamischen Verkehrsanforderungen.German
Uncontrolled Keywords: IEEE 802.16 Mesh, Network Coding, WiMAX
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
IEEE 802.16 Mesh, Network Coding, WiMAXEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Informatik > Multimedia Kommunikation
?? fb18_fukom ??
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Kommunikationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 26 Jul 2010 07:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-22361
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Steinmetz, Prof. Dr.- Ralf and Banchs, Prof. Dr. Albert and Hollick, Prof.. Dr. Matthias
Refereed: 8 July 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2236
Export:

Actions (login required)

View Item View Item