New contention resolution schemes for WiMAX

Abstract—The use of Broadband Wireless Access (BWA) technology is increasing due to the use of Internet and multimedia applications with strict requirements of end–to–end delay and jitter, through wireless devices. The IEEE 802.16 standard, which defines the physical (PHY) and the medium access control (MAC) layers, is one of the BWA standards. Its MAC layer is centralized basis, where the Base Station (BS) is responsible for assigning the needed bandwidth for each Subscriber Station (SS), which requests bandwidth competing between all of them. The standard defines a contention resolution process to resolve the potential occurrence of collisions during the requesting process. In this paper, we propose to modify the contention resolution process to improve the network performance, including end–to–end delay and throughput

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

Supporting quality of service in the head-end of hybrid filber-coaxial netowrks

Thesis (M. Eng.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 1996.Includes bibliographical references (p. 69-71).by Justin Liu.M.Eng

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

DOWNSTREAM RESOURCE ALLOCATION IN DOCSIS 3.0 CHANNEL BONDED NETWORKS

Modern broadband internet access cable systems follow the Data Over Cable System Interface Specification (DOCSIS) for data transfer between the individual cable modem (CM) and the Internet. The newest version of DOCSIS, version 3.0, provides an abstraction referred to as bonding groups to help manage bandwidth and to increase bandwidth to each user beyond that available within a single 6MHz. television channel. Channel bonding allows more than one channel to be used by a CM to provide a virtual channel of much greater bandwidth. This combining of channels into bonding groups, especially when channels overlap between more than one bonding group, complicates the resource allocation problem within these networks. The goal of resource allocation in this research is twofold, to provide for fairness among users while at the same time making maximum possible utilization of the available system bandwidth. The problem of resource allocation in computer networks has been widely studied by the academic community. Past work has studied resource allocation in many network types, however application in a DOCSIS channel bonded network has not been explored. This research begins by first developing a definition of fairness in a channel bonded system. After providing a theoretical definition of fairness we implement simulations of different scheduling disciplines and evaluate their performance against this theoretical ideal. The complexity caused by overlapped channels requires even the simplest scheduling algorithms to be modified to work correctly. We then develop an algorithm to maximize the use of the available system bandwidth. The approach involves using competitive analysis techniques and an online algorithm to dynamically reassign flows among the available channels. Bandwidth usage and demand requests are monitored for bandwidth that is underutilized, and demand that is unsatisfied, and real time changes are made to the flow-to-channel mappings to improve the utilization of the total available bandwidth. The contribution of this research is to provide a working definition of fairness in a channel bonded environment, the implementation of several scheduling disciplines and evaluation of their adherence to that definition, and development of an algorithm to improve overall bandwidth utilization of the system

Medium access control protocol design for wireless communications and networks review

Medium access control (MAC) protocol design plays a crucial role to increase the performance of wireless communications and networks. The channel access mechanism is provided by MAC layer to share the medium by multiple stations. Different types of wireless networks have different design requirements such as throughput, delay, power consumption, fairness, reliability, and network density, therefore, MAC protocol for these networks must satisfy their requirements. In this work, we proposed two multiplexing methods for modern wireless networks: Massive multiple-input-multiple-output (MIMO) and power domain non-orthogonal multiple access (PD-NOMA). The first research method namely Massive MIMO uses a massive number of antenna elements to improve both spectral efficiency and energy efficiency. On the other hand, the second research method (PD-NOMA) allows multiple non-orthogonal signals to share the same orthogonal resources by allocating different power level for each station. PD-NOMA has a better spectral efficiency over the orthogonal multiple access methods. A review of previous works regarding the MAC design for different wireless networks is classified based on different categories. The main contribution of this research work is to show the importance of the MAC design with added optimal functionalities to improve the spectral and energy efficiencies of the wireless networks