Design of network coding functionality for 5G networks

Abstract

La codificación de red (NC) ha surgido recientemente como una nueva solución para mejorar el rendimiento de la red en términos de rendimiento y fiabilidad. Sin embargo, la naturaleza multiusuario de NC y su aplicabilidad inherente a la ingeniería de flujo versátil en todas las capas de la pila de protocolos requieren nuevos enfoques de diseño de sistemas inalámbricos. El objetivo de esta tesis es estudiar el diseño de NC como una funcionalidad de red ofrecida a los diseñadores de servicios de comunicación inalámbrica 5G. El diseño facilitaría el control del rendimiento de la red, la confiabilidad y la conectividad a través de redes inalámbricas 5G. Las contribuciones de esta tesis son las siguientes. Primero desarrollamos un diseño de Funcionalidad de codificación de red como una caja de herramientas de dominios de diseño NC y mostramos cómo se puede integrar en las infraestructuras virtualizadas actuales. En segundo lugar, evaluamos el rendimiento de longitud finita de diferentes códigos de red usando matrices aleatorias vs Pascal. Modelamos el proceso de codificación, recodificación y decodificación de diferentes esquemas de codificación en notación de matriz y las correspondientes probabilidades de error. A continuación, proponemos un algoritmo de búsqueda binaria para identificar la velocidad de codificación óptima para algunas tasas de pérdida de paquetes de destino específicas dada una longitud de bloque de codificación predefinida. Nos enfocaremos en los códigos de logro de capacidad y los esquemas de codificación con la programación de escenarios representativos y mostraremos la compensación de la tasa de retardo alcanzable entre los códigos aleatorios y los códigos estructurados con la programación. En la última parte de esta tesis, validamos el diseño de NCF propuesto para un caso de uso completo para mejorar la conectividad de los dispositivos de red móvil ad-hoc (MANET) sobre las redes convergidas de nubes satelitales en aplicaciones de emergencia. La idea clave es que en un escenario de emergencia puede no haber acceso directo a la niebla o la computación en la nube, que luego se proporcionará por satélite y los únicos recursos computacionales locales disponibles son los dispositivos MANET. Para resolver esta situación, definimos un NCF a nivel de paquetes con entradas de objetivos de calidad del servicio de datos, restricciones de computación local y estadísticas por ruta. Las salidas son tasas de codificación centralmente optimizadas que equilibran los recursos computacionales por nodo y la cobertura resultante.

Network coding (NC) has recently emerged as a new solution for improving network performance in terms of throughput and reliability. However, the multi-user nature of NC and its inherent applicability to versatile flow engineering across all layers of the protocol stack, call for novel wireless system design approaches. The goal of this thesis is to study the design of NC as a network functionality offered to the 5G wireless communication service designers. The design would facilitate the control of network throughput, reliability, and connectivity over 5G wireless networks. The contributions of this thesis are the following. We first develop a design of Network Coding Functionality as a toolbox of NC design domains and show how it can be integrated in current virtualized infrastructures. Second, we evaluate the finite-length performance of different network codes using random vs Pascal matrices. We model the encoding, re-encoding, and decoding process of different coding schemes in matrix notation and corresponding error probabilities. We then propose a binary searching algorithm to identify optimal coding rate for some specific target packet loss rates given a pre-defined coding block-length. We will focus on capacity-achieving codes and coding schemes with scheduling for representative scenarios and show the achievable rate-delay trade-off between random codes and structured codes with scheduling. In the last part of this thesis, we validate the proposed NCF design for a complete use case to enhance connectivity of Mobile Ad-hoc Network (MANET) devices over converged satellite-cloud networks in emergency applications. The key insight is that in an emergency scenario there may not be direct access to fog or cloud computing, which will then be provided via satellite and the only local computational resources available are the MANET devices. To solve this situation, we define a packet-level NCF with inputs from data service quality targets, local computation constraints and per-path statistics. Outputs are centrally-optimized coding rates balancing per-node computational resources and resulting coverage.