Performance of two-level forward error correction for lost cell recovery in ATM networks

Abstract

Özet ATM A?LARINDA YİTİK GÖZE KURTARIMI İÇİN İKİ SEVİYELİ İLERİ HATA DÜZELTİMİNİN BAŞARIMI Nihat Cem Oğuz Elektrik ve Elektronik Mühendisliği 'nde Doktora Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Ender Ayanoğlu Temmuz 1995 Eşzamansız Aktarım Modu (ATM) ağlarında ana hata kaynağının, göze yitimine yol açan, sıkışmaya bağlı yastık taşımı olması beklenir. Göze gönderim zamanının tipik bir bağlantı için uçtan uca iletim gecikmesine oranla çok küçük olması nedeniyle, tekrar gönderime dayanan hata düzeltme teknikleri özellikle gecikmeye duyarlı yüksek hızlı uygulamalar için uygun değildir. Pek çok araştırmacı tarafından gösterildiği gibi, ileri hata düzeltimi, tekrar gönderime gerek duymadan uçtan uca güvenilirliği artırabilmesi nedeniyle, daha iyi bir seçenektir. Bu tez çalışmasında, iki seviyeli bir ileri hata düzeltim yönteminin ATM ağlarındaki sanal kanal ve sanal yol bağlantıları için kullanımı tartışılmıştır. Basit ve biniştirilmiş blok kodların eşanlı kullanımına dayanan yöntemin başarımı, hem çözümleme hem de benzetim yoluyla araştırılmıştır. Tek düğümlü bir sanal kanal bağlantısı için, önce yeni ve doğru bir ayrık zaman göze yitim çözümleme modeli geliştirilmiştir. Ardından, bu model üzerinde dürümsel hesaplama yöntemleri kullanılarak, iki seviyeli kodlama yoluyla göze yitim olasılığında elde edilen azalma geniş biçimde araştırılmıştır. Göze yitimini kaldıramayan dört düğümlü bir uzun mesafe sanal kanal bağlantısı içinse, iki seviyeli kodlama yönteminin bir İİİotomatik tekrar gönderim mekanizması ile birlikte kullanılacağı düşünülmüş, ve bu şekilde uçtan uca toplam gecikmede elde edilen azalmayı ölçmek üzere ayrıntılı benzetimler yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, trafik karakteristiğine uygun bir kodlama tekniği kullanılması kaydıyla, çok yüksek ağ yükleri için bile önemli başarım iyileşmeleri sağlanabileceğini göstermiştir. Tipik olarak, rasgele trafik için az gecikmeli basit blok kodlar yeterli olurken, çoğuşuk trafik için etkin yitik göze kurtarımı, kod biniştirmesini gerektirmektedir. Bu iki kodlama tekniğinin hızlı ve çoğuşuk göze yitim kurtarım özelliklerini etkin biçimde birleştirdiği gösterilen iki seviyeli kodlama yöntemi ise, karakteristiği önceden belirlenemeyen veya zaman içinde değişme gösteren trafik için uygun bulunmuştur. Anahtar sözcükler: Eşzamansız Aktarım Modu (ATM), ileri hata düzeltimi (FEC), otomatik tekrar gönderim (ARQ), yitik göze kurtarımı, göze yitim süreç karakterizasyonu. iv

Abstract PERFORMANCE OF TWO-LEVEL FORWARD ERROR CORRECTION FOR LOST CELL RECOVERY İN ATM NETWORKS Nihat Cem Oğuz Ph. D. in Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Ender Ayanoğlu July 1995 The majör source of errors in Asynchronous Transfer Mode (ATM) networks is expected to be buffer overflow during congestion, resulting in celi losses. The large ratio of the end-to-end propagation time for a typical connection to the celi transmission time makes lost celi recovery by means of retransmission- based error control techniques impractical especially for delay-sensitive high- speed applications. As has been shown by many authors, forward error correction is a promising alternative since it can improve end-to-end reliability without requiring retransmissions. This thesis discusses the use of a tıvo-level forward error correction seneme for virtual channel and virtual path connections in ATM networks. The performance of the scheme, which exploits erasure correcting simple and interleaved block codes simultaneously, is studied via both analyses and simulations. For a single-node virtual channel connection, a novel and accurate discrete-time analytical celi loss model is developed first. Based on this model, the reduction in the celi loss rate achieved by two-level coding is then investigated extensively via iterative computational methods. For the case iof a four-node, long-distance virtual channel connection that cannot tolerate any loss, the use of the two-level coding scheme in conjunction with an automatic repeat request mechanism is considered, and detailed simulations are made to quantify the improvement achieved in the delay-throughput performance. The results obtained indicate substantial performance improvements even for very high network loads provided that an appropriate coding technique is chosen according to the traffic characteristics. Typically, bursty traffic requires code interleaving be used for effective loss recovery vvhereas small-latency simple block codes süflice for random traffic. Two-level coding, which is shown to effectively combine the fast and burst loss recovery capabilities of the individual coding techniques, is attractive for trafik streams of unpredictable ör time-varying characteristics. Keywords: Asynchronous transfer mode (ATM), forward error correction (FEC), automatic repeat request (ARQ), lost celi recovery, celi loss process characterization. ü