An initialisation protocol for a CDMA based communications scheme for HFC CATV networks

An initialization protocol for a CDMA based communications system for hybrid fiber coax (HFC) central antenna television (CATV) networks is described. HFC CATV networks are shared medium access networks, employing the coaxial bus principle between an optical network terminator and the subscriber. To realize access in the upstream direction, a multiple access scheme based on CDMA can be used. However, before access is granted in the upstream direction, each cable modem connected to the coaxial bus needs to undergo a startup procedure at activation of the modem to determine timing and physical layer related settings. The initialization mechanism described performs time synchronization of a modem and the determination of the power the modem should use. Next to these physical layer settings, also the identity of a modem is determined during the initialization proces

Design and Performance Analysis of Functional Split in Virtualized Access Networks

abstract: Emerging modular cable network architectures distribute some cable headend functions to remote nodes that are located close to the broadcast cable links reaching the cable modems (CMs) in the subscriber homes and businesses. In the Remote- PHY (R-PHY) architecture, a Remote PHY Device (RPD) conducts the physical layer processing for the analog cable transmissions, while the headend runs the DOCSIS medium access control (MAC) for the upstream transmissions of the distributed CMs over the shared cable link. In contrast, in the Remote MACPHY (R-MACPHY) ar- chitecture, a Remote MACPHY Device (RMD) conducts both the physical and MAC layer processing. The dissertation objective is to conduct a comprehensive perfor- mance comparison of the R-PHY and R-MACPHY architectures. Also, development of analytical delay models for the polling-based MAC with Gated bandwidth alloca- tion of Poisson traffic in the R-PHY and R-MACPHY architectures and conducting extensive simulations to assess the accuracy of the analytical model and to evaluate the delay-throughput performance of the R-PHY and R-MACPHY architectures for a wide range of deployment and operating scenarios. Performance evaluations ex- tend to the use of Ethernet Passive Optical Network (EPON) as transport network between remote nodes and headend. The results show that for long CIN distances above 100 miles, the R-MACPHY architecture achieves significantly shorter mean up- stream packet delays than the R-PHY architecture, especially for bursty traffic. The extensive comparative R-PHY and R-MACPHY comparative evaluation can serve as a basis for the planning of modular broadcast cable based access networks.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Resource management in cable access networks

Een kabelnetwerk is tegenwoordig niet meer alleen een medium waarover analoge TV-signalen vanuit een centraal punt, kopstation genaamd, naar de aangesloten huizen worden gestuurd. Sinds enkele jaren is het mogelijk om thuis data digitaal te versturen en te ontvangen. Deze data gaat via een kabelmodem thuis en het kopstation, dat in verbinding staat met andere netwerken. Op deze wijze zijn kabelnetwerken onderdeel geworden van het wereldwijde Internet en kunnen computers thuis hier mee verbonden worden. Door aan zo’n kopstation een digitaal videosysteem met duizenden films te koppelen, ontstaat er de mogelijkheid een video-op-verzoek dienst aan te bieden: Via de computer of zelfs de TV thuis kunnen films worden besteld en direct bekeken, of worden opgeslagen in de computer. Om dit te bewerkstelligen is meer nodig dan alleen een netwerk: Voor de transmissie van video data dient er zorg voor te worden gedragen dat deze zonder hinderende interrupties kan geschieden, omdat dergelijke gebeurtenissen door de gebruiker direct te zien zijn in de vorm van een stilstaand of zwart beeld. Verder is ook de reactiesnelheid van het systeem van belang voor het ondersteunen van operaties door de gebruiker, zoals het bestellen van een film, maar ook het vooruit- of terugspoelen, pauzeren, enzovoorts. Binnen deze context beschrijven en analyseren we in dit proefschrift zes problemen. Vier daarvan houden verband met de transmissie van data over het kabelnetwerk en de overige twee houden verband met het opslaan van video data op een harde schijf. In twee van de vier problemen uit de eerste categorie analyseren we de vertraging die data ondervindt wanneer die vanuit een modem wordt gestuurd naar het kopstation. Deze vertraging bepaalt met name de reactiesnelheid van het systeem. Karakteristiek voor dataverkeer in deze richting is dat pakketten van verschillende modems tegelijkertijd mogen worden verstuurd en daardoor verloren gaan. Met name de vereiste hertransmissies zorgen voor vertraging. Meer concreet beschouwen we een variant op het bekende ALOHA protocol, waarbij we uitgaan van een kanaalmodel dat afwijkt van het conventionele model. Het afwijkende model is van toepassing wanneer een modem een eerste contact probeert te leggen met het kopstation na te zijn opgestart. Met name na een stroomuitval, wanneer een groot aantal modems tegelijkertijd opnieuw opstart, kunnen de vertragingen aanzienlijk zijn. Daarnaast beschouwen we modems tijdens normale operatie en analyseren wij de verbetering in vertraging wanneer pakketten die vanuit ´e´en modem moeten worden verstuurd, worden verpakt in een groter pakket. In beide studies worden wiskundige resultaten vergeleken met simulaties die re¨ele situaties nabootsen. In de andere twee van de vier problemen richten wij ons op de transmissie van video data in de andere richting, namelijk van het kopstation naar de modems. Hierbij spelen stringente tijdsrestricties een voorname rol, zoals hierboven reeds is beschreven. Meer specifiek presenteren we een planningsalgoritme dat pakketten voor een aantal gebruikers op een kanaal zodanig na elkaar verstuurt dat de variatie in de vertraging die de verschillende pakketten ondervinden, minimaal is. Op deze wijze wordt zo goed mogelijk een continue stroom van data gerealiseerd die van belang is voor het probleemloos kunnen bekijken van een film. Daarnaast analyseren we een bestaand algoritme om een film via een aantal kanalen periodiek naar de aangesloten huizen te versturen. In dit geval ligt de nadruk op de wachttijd die een gebruiker ondervindt na het bestellen van een film. In deze analyse onderbouwen we een in het algoritme gebruikte heuristiek en brengen hierin verdere verbeteringen aan. Daarnaast bewijzen we dat het algoritme asymptotisch optimaal is, iets dat reeds langer werd aangenomen, maar nooit rigoreus bewezen was. Bij de laatste twee problemen, die verband houden met het opslaan van video data op een harde schijf, analyseren we hoe deze data zodanig kan worden opgeslagen dat die er nadien efficient van kan worden teruggelezen. In het ene probleem beschouwen we een bestaand planningsalgoritme om pakketten van verschillende videostromen naar een harde schijf te schrijven en passen dit aan om ervoor te zorgen dat het teruglezen van de stroom met bijvoorbeeld een andere pakketgrootte mogelijk wordt zonder daarbij de schijf onnodig te belasten. In het andere probleem analyseren we hoe we effectief gebruik kunnen maken van het gegeven dat data aan de buitenkant van de schijf sneller gelezen kan worden dan aan de binnenkant. We bewijzen dat het probleem van het zo efficient mogelijk opslaan van een gegeven aantal video files NPlastig is en presenteren een eenvoudige heuristiek die, hoewel voor bijzondere instanties een bewijsbaar slechte prestatie levert, in de praktijk in het algemeen goede prestaties levert. Hierbij maken we met name gebruik van het verschil in populariteit van de verschillende films

CSMA/CA using pilot tone on PON

Jorden Yeong-Tswen, Tse.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2003.Includes bibliographical references (leaves 76-76).Abstracts in English and Chinese.ACKNOWLEDGEMENTS --- p.2ABSTRACT --- p.3摘要 --- p.4CONTENTS --- p.5Chapter CHAPTER 1: --- INTRODUCTION --- p.8Chapter 1.1. --- First Mile Evolution --- p.8Chapter 1.2. --- Access： Passive Optical Network (PON) --- p.10Chapter 1.2.1. --- ATM-PON (APON) --- p.13Chapter 1.2.2. --- Ethernet PON (EPON) --- p.14Chapter 1.3. --- Problem Definition and Possible Solutions --- p.16Chapter 1.3.1. --- Wavelength Division Multiplexing (WDM) --- p.17Chapter 1.3.2. --- Time Division Multiplexing (TDM) --- p.18Chapter 1.3.3. --- Sub-carrier Multiplexing (SCM) & Frequency Division Multiplexing (FDM) --- p.20Chapter 1.3.4. --- Code Division Multi Access (CDMA) --- p.20Chapter 1.4. --- Thesis Organization --- p.20Chapter CHAPTER 2: --- BACKGROUND --- p.22Chapter 2.1. --- EPON Solution：- MPCP --- p.22Chapter 2.2. --- CSMA/CD on PON --- p.26Chapter 2.3. --- Motivation --- p.28Chapter CHAPTER 3: --- CSMA/CA PROTOCOL USING PILOT TONE ON PON --- p.29Chapter 3.1. --- Basic Protocol Description --- p.29Chapter 3.1.1. --- With No Contention --- p.31Chapter 3.1.2. --- With Contention --- p.32Chapter 3.1.3. --- With Contention and Winner --- p.33Chapter 3.2. --- Simulation --- p.35Chapter 3.2.1. --- Effect of Loading on Network Utilization --- p.37Chapter 3.2.2. --- Effect of Network Size on Utilization --- p.39Chapter 3.2.3. --- Delay Performance --- p.41Chapter 3.2.4. --- Effect of Distance from Remote Node --- p.44Chapter 3.2.5. --- Effect of Maximum Packet Duration on Utilization and Delay --- p.45Chapter 3.3. --- Conclusions --- p.47Chapter CHAPTER 4: --- PROTOCOL ENHANCEMENT ON VARIOUS ASPECTS --- p.48Chapter 4.1. --- Utilization Enhancement --- p.48Chapter 4.1.1. --- Improvement on Network Utilization --- p.50Chapter 4.1.2. --- Network Delay Performance --- p.52Chapter 4.1.3. --- Conclusions --- p.53Chapter 4.2. --- Capture Effect --- p.53Chapter 4.2.1. --- Solution by Varying Ts --- p.54Chapter 4.2.2. --- Simulations --- p.55Chapter 4.2.3. --- Conclusions --- p.58Chapter 4.3. --- Introducing Cos to existing network --- p.59Chapter 4.3.1. --- Principle --- p.59Chapter 4.3.2. --- Simulation Model --- p.60Chapter 4.3.3. --- Utilization Performance --- p.61Chapter 4.3.4. --- Delay Performance --- p.64Chapter 4.3.5. --- Conclusions --- p.68Chapter CHAPTER 5: --- CONCLUSIONS --- p.69Chapter 5.1. --- Thesis Summary --- p.69Chapter 5.2. --- Future Work --- p.71REFERENCES --- p.7

Software Defined Applications in Cellular and Optical Networks

abstract: Small wireless cells have the potential to overcome bottlenecks in wireless access through the sharing of spectrum resources. A novel access backhaul network architecture based on a Smart Gateway (Sm-GW) between the small cell base stations, e.g., LTE eNBs, and the conventional backhaul gateways, e.g., LTE Servicing/Packet Gateways (S/P-GWs) has been introduced to address the bottleneck. The Sm-GW flexibly schedules uplink transmissions for the eNBs. Based on software defined networking (SDN) a management mechanism that allows multiple operator to flexibly inter-operate via multiple Sm-GWs with a multitude of small cells has been proposed. This dissertation also comprehensively survey the studies that examine the SDN paradigm in optical networks. Along with the PHY functional split improvements, the performance of Distributed Converged Cable Access Platform (DCCAP) in the cable architectures especially for the Remote-PHY and Remote-MACPHY nodes has been evaluated. In the PHY functional split, in addition to the re-use of infrastructure with a common FFT module for multiple technologies, a novel cross functional split interaction to cache the repetitive QAM symbols across time at the remote node to reduce the transmission rate requirement of the fronthaul link has been proposed.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Parallel and Flow-Based High Quality Hypergraph Partitioning

Balanced hypergraph partitioning is a classic NP-hard optimization problem that is a fundamental tool in such diverse disciplines as VLSI circuit design, route planning, sharding distributed databases, optimizing communication volume in parallel computing, and accelerating the simulation of quantum circuits. Given a hypergraph and an integer $k$, the task is to divide the vertices into $k$ disjoint blocks with bounded size, while minimizing an objective function on the hyperedges that span multiple blocks. In this dissertation we consider the most commonly used objective, the connectivity metric, where we aim to minimize the number of different blocks connected by each hyperedge. The most successful heuristic for balanced partitioning is the multilevel approach, which consists of three phases. In the coarsening phase, vertex clusters are contracted to obtain a sequence of structurally similar but successively smaller hypergraphs. Once sufficiently small, an initial partition is computed. Lastly, the contractions are successively undone in reverse order, and an iterative improvement algorithm is employed to refine the projected partition on each level. An important aspect in designing practical heuristics for optimization problems is the trade-off between solution quality and running time. The appropriate trade-off depends on the specific application, the size of the data sets, and the computational resources available to solve the problem. Existing algorithms are either slow, sequential and offer high solution quality, or are simple, fast, easy to parallelize, and offer low quality. While this trade-off cannot be avoided entirely, our goal is to close the gaps as much as possible. We achieve this by improving the state of the art in all non-trivial areas of the trade-off landscape with only a few techniques, but employed in two different ways. Furthermore, most research on parallelization has focused on distributed memory, which neglects the greater flexibility of shared-memory algorithms and the wide availability of commodity multi-core machines. In this thesis, we therefore design and revisit fundamental techniques for each phase of the multilevel approach, and develop highly efficient shared-memory parallel implementations thereof. We consider two iterative improvement algorithms, one based on the Fiduccia-Mattheyses (FM) heuristic, and one based on label propagation. For these, we propose a variety of techniques to improve the accuracy of gains when moving vertices in parallel, as well as low-level algorithmic improvements. For coarsening, we present a parallel variant of greedy agglomerative clustering with a novel method to resolve cluster join conflicts on-the-fly. Combined with a preprocessing phase for coarsening based on community detection, a portfolio of from-scratch partitioning algorithms, as well as recursive partitioning with work-stealing, we obtain our first parallel multilevel framework. It is the fastest partitioner known, and achieves medium-high quality, beating all parallel partitioners, and is close to the highest quality sequential partitioner. Our second contribution is a parallelization of an n-level approach, where only one vertex is contracted and uncontracted on each level. This extreme approach aims at high solution quality via very fine-grained, localized refinement, but seems inherently sequential. We devise an asynchronous n-level coarsening scheme based on a hierarchical decomposition of the contractions, as well as a batch-synchronous uncoarsening, and later fully asynchronous uncoarsening. In addition, we adapt our refinement algorithms, and also use the preprocessing and portfolio. This scheme is highly scalable, and achieves the same quality as the highest quality sequential partitioner (which is based on the same components), but is of course slower than our first framework due to fine-grained uncoarsening. The last ingredient for high quality is an iterative improvement algorithm based on maximum flows. In the sequential setting, we first improve an existing idea by solving incremental maximum flow problems, which leads to smaller cuts and is faster due to engineering efforts. Subsequently, we parallelize the maximum flow algorithm and schedule refinements in parallel. Beyond the strive for highest quality, we present a deterministically parallel partitioning framework. We develop deterministic versions of the preprocessing, coarsening, and label propagation refinement. Experimentally, we demonstrate that the penalties for determinism in terms of partition quality and running time are very small. All of our claims are validated through extensive experiments, comparing our algorithms with state-of-the-art solvers on large and diverse benchmark sets. To foster further research, we make our contributions available in our open-source framework Mt-KaHyPar. While it seems inevitable, that with ever increasing problem sizes, we must transition to distributed memory algorithms, the study of shared-memory techniques is not in vain. With the multilevel approach, even the inherently slow techniques have a role to play in fast systems, as they can be employed to boost quality on coarse levels at little expense. Similarly, techniques for shared-memory parallelism are important, both as soon as a coarse graph fits into memory, and as local building blocks in the distributed algorithm