Joint Relay Selection and Resource Allocation for Network Coding-based Video Multicast in WLAN

Abstract

본 논문에서는 무선 랜에서 네트워크 코딩 기반의 비디오 멀티캐스트를 위한 릴레이 선택 및 자원 할당 기법을 다룬다. 무선 랜에서 그룹 안의 여러 노드들에게 동시에 실시간 비디오를 전송함에 있어서 멀티캐스트가 효과적이다. 그러나 기존의 IEEE 802.11 무선 랜 멀티캐스트 방식에서는 재전송이 없기 때문에 패킷 전송에 대한 신뢰성이 보장되지 않는다. 그러나 랜덤 선형 네트워크 코딩을 이용하여 암호화된 패킷들을 전송하면, 일부 패킷이 유실되더라도 신뢰성 있는 전송이 가능하다. 또한 릴레이를 사용하면 단일 홉으로 전송하는 것보다 대역폭 효율 면에서 더 효과적인 전송이 가능하다. 본 논문에서는 네트워크 코딩과 릴레이의 장점으로부터 우선 최대한 많은 노드에게 신뢰성 있는 전송을 보장하고 이 때 전송하는 전체 패킷의 수를 최소화하는 릴레이 선택과 자원 할당을 위한 최적화 문제를 형성하였다. 이 문제는 볼록(Convex) 문제가 아니기 때문에 풀기 어렵지만, 주어진 조건을 완화함으로써 전송 패킷의 수를 최소로 하는 선형 계획법(Linear programming)으로 변형할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 선형 계획법을 기반으로 최적화 문제의 해를 구하기 위한 알고리즘을 제안한다. 시뮬레이션을 통해 제안된 기법의 해가 최적 기법의 해에 근접함을 보이고, 디코딩이 가능한 노드의 수와 전송 점유 시간의 비교를 통해 현존하는 다른 기법보다 제안 기법이 우월하다는 것을 검증하였다.

This thesis presents a joint relay selection and resource allocation algorithm for network coding based video multicast in wireless local area networks (WLANs). Multicast is an effective solution to transmit real-time video data to a group of multiple nodes simultaneously. However, according to IEEE 802.11 WLAN standards, multicast does not guarantee reliability for packet delivery because no retransmission is regulated to deal with lost packets. To get over this limitation, the thesis considers random linear network coding (RLNC) which enables reliable transmission even when a part of transmitted packets are lost. In addition, it considers two-hop transmission using relays as it is more bandwidth-effective than one-hop transmission. Taking advantage of the benefits of the RLNC and the relaying, the thesis formulates an optimization problem with the objectives of maximizing the number of nodes which receive reliable video packets and minimizing the number of total transmitted packets from the sender nodes. The formulated problem is not convex but it is possible to modify it to a linear programming (LP) problem aiming at minimizing the number of total transmitted packets by constraint relaxation. As a consequence the thesis presents a heuristic algorithm based on the LP. According to numerical simulations, the proposed algorithm performs close to the optimal scheme and outperforms the existing scheme in terms of the number of decodable nodes and air time usage.