ENCODE: یک چارچوب کارآمد جهت استفاده از کدبندی شبکه در شبکه‌های بی‌سیم چندپرشی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه مهندسی کامپیوتر، دانشکدۀ فنی و مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی، قزوین، ایران.

چکیده

ماهیت همه‌پخشیِ رسانۀ انتقال موجب محبوبیت کدبندی شبکه در شبکه‌های بی‌سیم شده است. در این مقاله به کمک اصلاحِ توأمانِ دو رویکرد تصمیم‌گیری حساس در شبکه‌های بی‌سیم چندپرشی، یکی در گره‌های کدگذار و دیگری در گره‌های کدگشا، یک چهارچوب کارآ برای استفاده از کدبندی شبکه در این شبکه‌ها با عنوان ENCODE ارائه شده‌است. در اولین رویکرد در گره‌های کدگذار با استفاده از مدلسازیِ مساله توسط نظریۀ توقف بهینه، گره‌ها سعی دارند بهترین لحظۀ ارسالِ بسته‌ها را بیابند؛ زیرا گره‌ها با به تاخیر انداختن ارسال‌ها می‌توانند شانس یافتن الگوهای بهتر برای کدبندی را افزایش دهند. این رویکرد یک مصالحه بین بهرۀ کدبندی و تاخیر انتها-به-انتهاست. در دومین رویکرد در گره‌های کدگشا، با کمک مدلسازیِ مساله در قالب فرآیند تصمیم‌گیری شبه مارکفی و با استفاده از یادگیری تقویتی، گره ها در طول زمان فرامی‌گیرند که در چه زمان بهتر است جهت صرفه‌جویی در مصرف انرژی واحد رادیویی خود را خاموش کرده و به خواب بروند و در چه زمان بهتر است جهت افزایش فرصت‌های کدبندی بیدار مانده و به شنود ترافیک همسایه‌ها بپردازند. این رویکرد یک مصالحه بین بهرۀ کدبندی و مصرف انرژی است. در چهارچوب پیشنهادی، گره‌های شبکه به صورت توأمان از این دو رویکرد تصمیم‌گیری استفاده می‌کنند، به این ترتیب که هنگام ارسال داده (در نقش گره‌های کدگذار) از رویکرد تصمیم‌گیری اول و در سایر بازه‌ها (در نقش گرۀ کدگشا) از رویکرد تصمیم‌گیری دوم استفاده می‌کنند. نتایج شبیه‌سازی نشان‌ می‌دهند چهارچوب پیشنهادی در مقایسه با سایر رویکردهای موجود بهبودهای قابل توجهی در کارآیی شبکه‌های بی‌سیم چندپرشی ایجاد می‌کند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

ENCODE: an Efficient Framework for using Network Coding in Multi-hop Wireless Networks

نویسنده [English]

  • N. Taheri Javan
Computer Engineering Department, Imam Khomeini International University, Qazvin, IRAN
چکیده [English]

Network coding is all about combining a variety of packets and forwarding as much packets as possible in each transmission operation. The network coding technique improves the throughput efficiency of multi-hop wireless networks by taking advantage of the broadcast nature of wireless channels. Most previous studies in wireless multi-hop networks, were focused on improving network coding gain as the most important parameter, while if some decision rules in the network nodes were modified, the overall performance of network coding technique will improve. In this paper the two aforementioned approaches, To Overhear or Not to Overhear and To Send or Not to send were combined together to propose a new efficient framework. In particular, all network nodes when act in the coder role, use the To Send or Not to Send decision rule and when they operate in the decoder role, use the To Overhear or Not to Overhear decision rule. We called this framework ENCODE and we compared it with COPE as the reference framework in wireless multi-hop networks.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Network Coding
  • Coding Gain
  • Multi-hp Wireless Networks
  • Optimal Stopping Theory
  • SMDP

مراجع

[1] R. Ahlswede, et al., "Network information flow," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 46, no. 4, pp. 1204-1216, 2000.
[2] F. Zhu, et al., "Practical Network Coding Technologies and Softwarization in Wireless Networks," IEEE Internet of Things Journal, vol. 8, no. 7, pp. 5211-5218, 2021.
[3] S. Katti, H. Rahul, W. Hu, D. Katabi, M. Medard and J. Crowcroft, "XORs in the air: practical wireless network coding," IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 16, no. 3, p. 497–510, 2008.
[4] S. Abdullah, M. N. Asghar, M. Fleury, et al., “Network-Coding-Enabled and QoS-Aware Message Delivery for Wireless Sensor Networks,” Wireless Personal Communications, (DOI: https://doi.org/10.1007/s11277-023-10613-y), 2023.
[5] A. Singh and A. Nagaraju, “Low latency and energy efficient routing-aware network coding-based data transmission in multi-hop and multi-sink WSN,” Ad Hoc Networks, vol. 107, p 102182, 2020.
[6] N. Taheri Javan, M. Sabaei and M. Dehghan, “To Send or Not to Send: An Optimal Stopping Approach to Network Coding in Wireless Multihop Networks,” International Journal of Communication Systems (IJCS), Vol. 31, no. 2, 2018.
[7] D. Ciocan and V. Mišić, “Interpretable optimal stopping,” Management Science, vol. 68, no. 3, pp. 1616–1638, 2022.
[8] N. Taheri Javan, M. Dehghan and M. Sabaei, “To Overhear or Not to Overhear: A Dilemma between Network Coding Gain and Energy Consumption in Multi-hop Wireless Networks,” Wireless Networks, vol. 25, pp. 4097-4113, 2019.
[9] M. Baykal-Gursoy, "Semi-Markov decision processes: nonstandard criteria," Probability in the Engineering and Informational Sciences, vol. 21, no. 1, p. 635–657, 2007.
[10] W. Chen, K. B. Letaief and Z. Cao, "Opportunistic Network Coding for Wireless Networks," IEEE International Conference on Communication (ICC), pp. 4634-4639, 2007.
[11] Y. P. Hsu, et. al., "Opportunities for Network Coding: To Wait or Not to Wait," IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 23, no. 6, pp. 1876-1889, 2015.
[12] Y. P. Hsu and A. Sprintson, "Opportunistic Network Coding: Competitive Analysis," NetCod Conference, pp. 191-196, 2012.
[13] J. Goseling, R. J. Boucherie and J. K. Ommeren, "Energy Consumption in Coded Queues for Wireless Information Exchange," in proc. of NetCod Conference, pp. 30-35, 2010.
[14] A. Mohapatra, et. al., "Network Coding Decisions for Wireless Transmissions With Delay Consideration," IEEE Transactions on Communications, vol. 64, no. 8, pp. 2965-2976, 2014.
[15] O. H. Abdelrahman and E. Gelenbe, "Performance Trade-offs in a Network Coding Router," in Proc. of 19th International Conference on Computer Communications and Networks, pp. 1-6, 2010.
[16] J. T. C. Gunasekara, et. al., "A Queueing Theoretic Model For Opportunistic Network Coding," International Conference on Networking and Communications (ICNC), pp. 999-1004, 2013.
[17] E. N. Ciftcioglu, Y. E. Sagduyu, R. A. Berry and A. Yener, "Cost-Delay Tradeoffs for Two-Way Relay Networks," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 10, no. 12, pp. 4100-4109, 2011.
[18] M. H. Amerimehr and F. Ashtiani, "Delay and Throughput Analysis of a Two-Way Opportunistic Network Coding-Based Relay Network," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 13, no. 5, pp. 2863-2873, 2014.
[19] Y. E. Sagduyu and A. Ephremides, "Some Optimization Trade-offs in Wireless Network Coding," 40th Annual Conference on Information Science and Systems, pp. 6-11, 2006.
[20] H. Y. Shwe and X. Jiang, "Efficient power savings in wireless sensor networks with network coding and overhearing avoidance," International Journal of Computer Engineering Research, vol. 2, no. 2, pp. 34-44, 2011.
[21] K. Samarasinghe, T. Voigt, L. Mottola and U. Roeding, "Network Coding with Limited Overhearing," 8th European Conference on Wireless Sensor Networks (EWSN ’11), 2011.
[22] K. H. Lee, J. H. Kima and S. Cho, "Power saving mechanism with network coding in the bottleneck zone of multimedia sensor networks," Computer Networks, Vol. 96, no 1, pp. 58-68, 2016.
[23] R. Chandanala, W. Zhang, R. Stoleru and M. Won, "On combining network coding with duty-cycling in flood-based wireless sensor networks," Ad Hoc Networks, vol. 11, no. 1, pp. 490-507, 2013.
[24] R. P. Trujilloa, et. al.,  "Network Coding and Duty Cycling in IEEE 802.11 Wireless Networks with Bidirectional Transmissions and Sleeping Periods," IEEE GLOBECOM ’15, pp. 1-7, 2015.
[25] م. محصل فقهی، «همگام‌سازی توأم زمانی و فرکانسی در سیستم‌های مخابراتی بر پایه استاندارد IEEE 802.11»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 49، شماره 2، صفحه 847-858، تابستان 1398.
[26] Y. Yuan, K. Wu, W. Jia and Y. Peng, "On the queueing behavior of inter-flow asynchronous network coding," Computer Communications, vol. 35, pp. 1535-1548, 2012.
[27] T. Ferguson, "Optimal Stopping and Applications," Math. Dept., Univ. Calif., Los Angeles, CA, USA, Available: http://www.math. ucla.edu/~tom/Stopping/Contents.html, 2006.
[28] S. Ergun, I. Sammour and G. Chalhoub, “A survey on how network simulators serve reinforcement learning in wireless networks,” Computer Networks, p.109934, 2023.
[29] M. Ghavamzadeh and S. Mahadevan, "Continuous-time hierarchical reinforcement learning," 18th International Conference on Machine Learning, pp. 186-193, 2001.
[30] H. Ojukwu, et. al., "Metasurface-Aided Wireless Power Transfer and Energy Harvesting for Future Wireless Networks," IEEE Access, vol. 10, pp. 52431-52450, 2022.
[31] D. K. Sah, S. Srivastava, R. Kumar, et al., “An energy efficient coverage aware algorithm in energy harvesting wireless sensor networks,” Wireless Networks, vol. 29, pp. 1175–1195, 2023.
[32] م. حامدیان، ب. شاهقلی قهفرخی و ن. مقیم، «یک پروتکل MAC آگاه از کیفیت تجربه کاربر مبتنیبر استاندارد IEEE802.11e»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 47، شماره 2، صفحه 469-480، تابستان 1396.
[33] NS2, avalable at “http://www.isi.edu/nsnam/ns/,” [Online].

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار