Conventional error control schemes for wireless networks are inapplicable to multicast error control, as it is incapable of handling errors happening at multiple receivers simul-taneously. . In the wireless multicast environment, a single packet transmission can cause multiple packet losses. In that sense, the automatic repeat-request (ARQ) scheme, which has been commonly used for typical network error controls, is hardly applied to multicast applications.
In the recent researches for multicast error control, network coding is considered as one possible solution to overcome the conventional ARQ limitation in terms of correction efficiency. Network coding transmits error control packets in a form of a polynomial equation using linear combinations of a block of data packets, and then receiving stations retrieve errors from it using Gaussian elimination. Hence, multiple packet errors spread over different receivers can be efficiently retrieved by a single network coding error control packet.
However, these approaches have the following obstacles to be applied to practical net-works: 1) First, typically in multicast transmissions with ARQ, error reports, such as ACK and NACK, should be carefully managed to avoid error-report packet collisions and can be a big burden in a wireless environment. 2) Second, matrix inversion for network coding requires a high computational capacity of O($n^3$), where n is the rank of a correc-tion matrix.
According to the aforementioned schemes, the correction efficiency is the critical point to analyze the performance of a network error control scheme. Therefore, this thesis in-troduces the optimal point for the 2D network coding which is reliable against burst/multiple packet losses with low computational complexity. Since our proposed scheme does not use an error report packet and has no assumption for lossless control packet, it could be adopted for real network environment to achieve high correction effi-ciency in multicast transmissions. We evaluate the correction efficiency of the 2D net-work coding and compare it with those of ARQ and conventional network coding me-thods through simulations.
최근 스마트 폰의 대중화와 더불어 무선 통신에서의 고품질 멀티미디어 스트리밍 전송 기술에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다. 멀티캐스트 오류제어는 이러한 응용 서비스의 요구사항을 맞추는데 있어 중요한 기술이다. 그러나 하나의 패킷 전송이 다수의 오류를 발생 시키는 멀티캐스트의 특성상 일반적인 유니캐스트에서의 오류제어를 적용하는 것에 한계가 있다. 멀티캐스트 오류제어에서 가장 중요한 요소는 적은 오버헤드로 얼마나 많은 오류를 복구 할 수 있느냐 즉, 복구효율이다. 이에 본 연구에서는 복구 효율을 목적 함수로 삼고 하여 ARQ및 네트워크 코딩 오류제어 기법을 분석하였다. 복구효율은 Correction 비율을 Redundancy 비율로 나누어 준 값으로 정의되며 여기서 Correction 비율이란 전체 복구된 패킷의 양을 전체 데이터 패킷으로 나눈 값이며 Redundancy 비율이란 오류제어에 필요한 패킷의 양을 전체 데이터 패킷으로 나눈 것이다.
기존의 네트워크에서 가장 널리 쓰이고 있는 오류제어 기법인 ARQ는 수신자의 증가에 따라 오버헤드가 증가하여 확장성과 네트워크 대역 효율 차원에서 멀티캐스트 오류제어 기법으로 적합하지 않다. 또한 ARQ는 다수의 수수신자부터 단일 멀티캐스트 송신자로의 오류보고 패킷 전송이 일어나므로 수신자 단에서 혼잡이 일어날 수 있다.
최근 소개된 네트워크 코딩을 활용한 오류제어 기법은 오류제어에 있어 데이터 패킷 간 코딩을 수행 함으로써 수신자의 증가에 따른 오버헤드 증가가 일어나지 않는 상대적으로 멀티캐스트에 적합한 특성을 지난다. 네트워크 코딩을 이용한 오류제어 기법은 크게 두 가지의 접근 방법이 연구되고 있는데, 랜덤계수를 사용하는 방법과 상수 계수를 사용하는 기법이 그것이다. 그러나 상수계수를 사용하는 기법은 하나의 코딩 블록에서 하나의 오류제어만 가능한 한계점이 있고 랜덤 계수를 사용하는 네트워크 코딩 기법의 경우 전송 패킷 수의 세제곱에 해당하는 계산복잡도로 인해 실제 멀티캐스트에 적용하는데 있어 어려움이 있다. 또한 두 가지 접근 방법 모두 각 수신자의 오류 상황을 알기 위한 오류보고 패킷에 대한 오버헤드가 여전히 큰 기법이다. 이에 본 논문에서는 오류보고 오버헤드를 사용하지 않는 2차원 네트워크 코딩 기법의 최적화를 복구효율 측면에서 연구 하였다.
네트워크 코딩의 특성을 분석하여 각 PLR별로 가장 높은 효율을 내는 Redundancy 비율이 존재함을 보였다. 이러한 사실을 활용하여 복구효율 최적화를 위해 각 PLR별로 최적의 redundancy 비율을 사용하는 접근 방법을 사용하였다. 1차원 네트워크 코딩의 경우 이러한 최적의 redundancy 비율을 사용함으로써 같은 redundancy 비율을 사용하는ARQ와 비교하였을 때 최소10배에서 최대 2000배 이상의 복구 효율의 향상을 얻을 수 있었다.
한편 2차원 네트워크 코딩을 활용한 오류제어 기법에선 오류가 고쳐지지 않는 조건이 존재하는데, 이는 2차원 데이터 블록상에 위치해 있는 각 오류가 포함된 모든 행과 열이 두 개 이상의 오류를 가지고 있다면, 이때 해당하는 모든 오류는 복구 되지 않는다. 이러한 고쳐지지 않는 조건에 대한 계산은 2차원 평면상에서 존재하는 고쳐지지 않는 조건을 만족하는 오류 패턴의 조합이며 이는 정확한 계산이 어렵다. 본 논문에서는 2차원 네트워크 코딩에 대한 최적 Redundancy 비율을 시뮬레이션을 통해 찾아 내었다. 이렇게 찾아낸 최적 Redundancy 비율을 적용한 2차원 네트워크 코딩의 복구효율을 비교해본 결과 1차원의 복구효율보다 최대 200%향상되는 효과를 확인 하였다. 또한 각 오류제어 기법들에 대하여$10^{-3}$ ~ 0.2 PLR영역에서$10^{-4}$과 $10^{-5}$을 목표 PLR로 하는 Redundancy 비율을 비교한 결과, 2차원 네트워크 코딩은 0.2 PLR이하 지역에서 ARQ와 비교하였을 때 상당한 Redundancy 비율의 감소를 보였으며 1D 네트워크 코딩은 $10^{-4}$의 목표 PLR에선 0.07이하 영역에서 ARQ보다 감소된 Redundancy 비율을 보이나, $10^{-5}$의 목표 PLR에선 유의한 구간이 없어 실제로 운용하기엔 어려움이 있음을 확인 하였다.
본 논문은2차원 네트워크 코딩에서 최대의 복구 효율을 이루는 redundancy 비율기법을 제시하였고 이에 대한 성능을 분석하였다. 또한 전송응답 패킷 오버헤드를 사용하지 않고 낮은 계산복잡도를 가지는 2차원 네트워크 코딩을 이용함으로써 기술의 실현가능성을 높였다. 본 논문의 연구 결과가 실제 멀티캐스트 네트워크의 오류제어를 위한 연구 분야에 이바지할 수 있기를 기대한다.
