Application of network coding in satellite broadcast and multiple access channels

Satellite broadcasting and relaying capabilities enable mobile broadcast systems over wide geographical areas, which opens large market possibilities for handheld, vehicular and fixed user terminals. The geostationary (GEO) satellite orbit is highly suited for such applications, as it spares the need for satellite terminals to track the movement of the spacecraft, with important savings in terms of complexity and cost. The large radius of the GEO orbit (more than 40000 km) has two main drawbacks. One is the large free space loss experienced by a signal traveling to or from the satellite, which limits the signal-to-noise ratio (SNR) margins in the link budget with respect to terrestrial systems. The second drawback of the GEO orbit is the large propagation delay (about 250 msec) that limits the use of feedback in both the forward (satellite to satellite terminal) and the reverse (satellite terminal to satellite) link. The limited margin protection causes loss of service availability in environments where there is no direct line of sight to the satellite, such as urban areas. The large propagation delay on its turn, together with the large terminal population size usually served by a GEO satellite, limit the use of feedback, which is at the basis of error-control. In the reverse link, especially in the case of fixed terminals, packet losses are mainly due to collisions, that severely limit the access to satellite services in case a random access scheme is adopted. The need for improvements and further understanding of these setups lead to the development of our work. In this dissertation we study the application of network coding to counteract the above mentioned channel impairments in satellite systems. The idea of using network coding stems from the fact that it allows to efficiently exploit the diversity, either temporal or spatial, present in the system. In the following we outline the original contributions included in each of the chapters of the dissertation. Chapter 3. This chapter deals with channel impairments in the forward link, and specifically with the problem of missing coverage in Urban environments for land mobile satellite (LMS) networks. By applying the Max-flow Min-cut theorem we derive a lower bound on the maximum coverage that can be achieved through cooperation. Inspired by this result, we propose a practical scheme, keeping in mind the compatibility with the DVB-SH standard. We developed a simulator in Matlab/C++ based on the physical layer abstraction and used it to test the performance gain of our scheme with a benchmark relaying scheme that does allow coding at packet level. Chapter 4. The second chapter of contributions is devoted to the information theoretical study of real-time streaming transmissions over fading channels with channel state information at the transmitter only. We introduce this new channel model and propose several transmission schemes, one of which is proved to be asymptotically optimal in terms of throughput. We also provide an upper bound on the achievable throughput for the proposed channel model and compare it numerically with the proposed schemes over a Rayleigh fading channel. Chapter 5. Chapter 5 is devoted to the study of throughput and delay in non-real-time streaming transmission over block fading channels. We derive bounds on the throughput and the delay for this channel and propose different coding techniques based on time-sharing. For each of them we carry out an analytical study of the performance. Finally, we compare numerically the performance of the proposed schemes over a Rayleigh fading channel. Chapter 6. In the last technical chapter we propose a collision resolution method for the return link based on physical layer network coding over extended Galois field (EGF). The proposed scheme extracts information from the colliding signals and achieves important gains with respect to Slotted ALOHA systems as well as with respect to other collision resolution schemes.Una de les característiques mes importants de les plataformes de comunicacions per satèl.lit és la seva capacitat de retransmetre senyals rebuts a un gran número de terminals. Això es fonamental en contextes com la difusió a terminals mòbils o la comunicació entre màquines. Al mateix temps, la disponibilitat d’un canal de retorn permet la creació de sistemes de comunicacions per satèl.lit interactius que, en principi, poden arribar a qualsevol punt del planeta. Els satèl.lits Geoestacionaris son particularment adequats per a complir amb aquesta tasca. Aquest tipus de satèl.lits manté una posició fixa respecte a la Terra, estalviant als terminals terrestres la necessitat de seguir el seu moviment en el cel. Per altra banda, la gran distància que separa la Terra dels satèl.lits Geoestacionaris introdueix grans retrassos en les comunicacions que, afegit al gran número de terminals en servei, limita l’ús de tècniques de retransmissió basades en acknowledgments en cas de pèrdua de paquets. Per tal de sol.lucionar el problema de la pèrdua de paquets, les tècniques més utilitzades son el desplegament de repetidors terrestres, anomenats gap fillers, l’ús de codis de protecció a nivell de paquet i mecanismes proactius de resolució de col.lisions en el canal de retorn. En aquesta tesi s’analitzen i s’estudien sol.lucions a problemes en la comunicació per satèl.lit tant en el canal de baixada com el de pujada. En concret, es consideren tres escenaris diferents. El primer escenari es la transmissió a grans poblacions de terminals mòbils en enorns urbans, que es veuen particularment afectats per la pèrdua de paquets degut a l’obstrucció, per part dels edificis, de la línia de visió amb el satèl.lit. La sol.lució que considerem consisteix en la utilització de la cooperació entre terminals. Una vegada obtinguda una mesura del guany que es pot assolir mitjançant cooperació en un model bàsic de xarxa, a través del teorema Max-flow Min-cut, proposem un esquema de cooperació compatible amb estàndards de comunicació existents. El segon escenari que considerem es la transmissió de vídeo, un tipus de tràfic particularment sensible a la pèrdua de paquets i retards endògens als sistemes de comunicació per satèl.lit. Considerem els casos de transmissió en temps real i en diferit, des de la perspectiva de teoria de la informació, i estudiem diferents tècniques de codificació analítica i numèrica. Un dels resultats principals obtinguts es l’extensió del límit assolible de la capacitat ergòdica del canal en cas que el transmissor rebi les dades de manera gradual, enlloc de rebre-les totes a l’inici de la transmissió. El tercer escenari que considerem es l’accés aleatori al satèl.lit. Desenvolupem un esquema de recuperació dels paquets perduts basat en la codificació de xarxa a nivell físic i en extensions a camps de Galois, amb resultats molt prometedors en termes de rendiment. També estudiem aspectes relacionats amb la implementació pràctica d’aquest esquema

Scalable and rate adaptive wireless multimedia multicast

The methods that are described in this work enable highly efficient audio-visual streaming over wireless digital communication systems to an arbitrary number of receivers. In the focus of this thesis is thus point-to-multipoint transmission at constrained end-to-end delay. A fundamental difference as compared to point-to-point connections between exactly two communicating sending and receiving stations is in conveying information about successful or unsuccessful packet reception at the receiver side. The information to be transmitted is available at the sender, whereas the information about successful reception is only available to the receiver. Therefore, feedback about reception from the receiver to the sender is necessary. This information may be used for simple packet repetition in case of error, or adaptation of the bit rate of transmission to the momentary bit rate capacity of the channel, or both. This work focuses on the single transmission (including retransmissions) of data from one source to multiple destinations at the same time. A comparison with multi-receiver sequentially redundant transmission systems (simulcast MIMO) is made. With respect to feedback, this work considers time division multiple access systems, in which a single channel is used for data transmission and feedback. Therefore, the amount of time that can be spent for transmitting feedback is limited. An increase in time used for feedback transmissions from potentially many receivers results in a decrease in residual time which is usable for data transmission. This has direct impact on data throughput and hence, the quality of service. In the literature, an approach to reduce feedback overhead which is based on simultaneous feedback exists. In the scope of this work, simultaneous feedback implies equal carrier frequency, bandwidth and signal shape, in this case orthogonal frequency-division multiplex signals, during the event of the herein termed feedback aggregation in time. For this scheme, a constant amount of time is spent for feedback, independent of the number of receivers giving feedback about reception. Therefore, also data throughput remains independent of the number of receivers. This property of audio-visual digital transmission is taken for granted for statically configured, single purpose systems, such as terrestrial television. In the scope of this work are, however, multi-user and multi-purpose digital communication networks. Wireless LANs are a well-known example and are covered in detail herein. In suchlike systems, it is of great importance to remain independent of the number of receivers, as otherwise the service of ubiquitous digital connectivity is at the risk of being degraded. In this regard, the thesis at hand elaborates at what bit rates audio-visual transmission to multiple receivers may take place in conjunction with feedback aggregation. It is shown that the scheme achieves a multi-user throughput gain when used in conjunction with adaptivity of the bit rate to the channel. An assumption is the use of an ideal overlay packet erasure correcting code in this case. Furthermore, for delay constrained transmission, such as in so-called live television, throughput bit rates are examined. Applications have to be tolerant to a certain level of residual error in case of delay constrained transmission. Improvement of the rate adaptation algorithm is shown to increase throughput while residual error rates are decreased. Finally, with a consumer hardware prototype for digital live-TV re-distribution in the local wireless network, most of the mechanisms as described herein can be demonstrated.Die in vorliegender Arbeit aufgezeigten Methoden der paketbasierten drahtlosen digitalen Kommunikation ermöglichen es, Fernsehinhalte, aber auch audio-visuelle Datenströme im Allgemeinen, bei hoher Effizienz an beliebig große Gruppen von Empfängern zu verteilen. Im Fokus dieser Arbeit steht damit die Punkt- zu Mehrpunktübertragung bei begrenzter Ende-zu-Ende Verzögerung. Ein grundlegender Unterschied zur Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen genau zwei miteinander kommunizierenden Sender- und Empfängerstationen liegt in der Übermittlung der Information über erfolgreichen oder nicht erfolgreichen Paketempfang auf Seite der Empfänger. Da die zu übertragende Information am Sender vorliegt, die Information über den Erfolg der Übertragung jedoch ausschließlich beim jeweiligen Empfänger, muss eine Erfolgsmeldung auf dem Rückweg von Empfänger zu Sender erfolgen. Diese Information wird dann zum Beispiel zur einfachen Paketwiederholung im nicht erfolgreichen Fall genutzt, oder aber um die Übertragungsrate an die Kapazität des Kanals anzupassen, oder beides. Grundsätzlich beschäftigt sich diese Arbeit mit der einmaligen, gleichzeitigen Übertragung von Information (einschließlich Wiederholungen) an mehrere Empfänger, wobei ein Vergleich zu an mehrere Empfänger sequentiell redundant übertragenden Systemen (Simulcast MIMO) angestellt wird. In dieser Arbeit ist die Betrachtung bezüglich eines Rückkanals auf Zeitduplexsysteme beschränkt. In diesen Systemen wird der Kanal für Hin- und Rückweg zeitlich orthogonalisiert. Damit steht für die Übermittlung der Erfolgsmeldung eine beschränkte Zeitdauer zur Verfügung. Je mehr an Kanalzugriffszeit für die Erfolgsmeldungen der potentiell vielen Empfänger verbraucht wird, desto geringer wird die Restzeit, in der dann entsprechend weniger audio-visuelle Nutzdaten übertragbar sind, was sich direkt auf die Dienstqualität auswirkt. Ein in der Literatur weniger ausführlich betrachteter Ansatz ist die gleichzeitige Übertragung von Rückmeldungen mehrerer Teilnehmer auf gleicher Frequenz und bei identischer Bandbreite, sowie unter Nutzung gleichartiger Signale (hier: orthogonale Frequenzmultiplexsignalformung). Das Schema wird in dieser Arbeit daher als zeitliche Aggregation von Rückmeldungen, engl. feedback aggregation, bezeichnet. Dabei wird, unabhängig von der Anzahl der Empfänger, eine konstante Zeitdauer für Rückmeldungen genutzt, womit auch der Datendurchsatz durch zusätzliche Empfänger nicht notwendigerweise sinkt. Diese Eigenschaft ist aus statisch konfigurierten und für einen einzigen Zweck konzipierten Systemen, wie z. B. der terrestrischen Fernsehübertragung, bekannt. In dieser Arbeit werden im Gegensatz dazu jedoch am Beispiel von WLAN Mehrzweck- und Mehrbenutzersysteme betrachtet. Es handelt sich in derartigen Systemen zur digitalen Datenübertragung dabei um einen entscheidenden Vorteil, unabhängig von der Empfängeranzahl zu bleiben, da es sonst unweigerlich zu Einschränkungen in der Güte der angebotenen Dienstleistung der allgegenwärtigen digitalen Vernetzung kommen muss. Vorliegende Arbeit zeigt in diesem Zusammenhang auf, welche Datenraten unter Benutzung von feedback aggregation in der Verteilung an mehrere Empfänger und in verschiedenen Szenarien zu erreichen sind. Hierbei zeigt sich, dass das Schema im Zusammenspiel mit einer Adaption der Datenrate an den Übertragungskanal inhärent einen Datenratengewinn durch Mehrbenutzerempfang zu erzielen vermag, wenn ein überlagerter idealer Paketauslöschungsschutz-Code angenommen wird. Des weiteren wird bei der Übertragung mit zeitlich begrenzter Ausführungsdauer, z. B. dem sogenannten Live-Fernsehen, aufgezeigt, wie sich die erreichbare Datenrate reduziert und welche Restfehlertoleranz an die Übertragung gestellt werden muss. Hierbei wird ebenso aufgezeigt, wie sich durch Verbesserung der Ratenadaption erstere erhöhen und zweitere verringern lässt. An einem auf handelsüblichen Computer-Systemen realisiertem Prototypen zur Live-Fernsehübertragung können die hierin beschriebenen Mechanismen zu großen Teilen gezeigt werden