Packet error correction and recovery based on packet combination and cross-layer cooperation for efficient transmission control protocol communications

Naghashi, Mona (2021). Packet error correction and recovery based on packet combination and cross-layer cooperation for efficient transmission control protocol communications. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

For the last few decades, we have witnessed an ever-growing expansion of wireless networks and applications. Although these networks are subject to transmission errors, we manage to have reliable data delivery through the use of protocols such as the universally used Transmission Control Protocol (TCP). The latter uses retransmissions, when the received data is corrupted, to ensure reliable communications at the expense of an increase in transmission delays and overhead. To avoid these drawbacks, improved methods for error correction and packet recovery are needed.

Many approaches have been introduced to cope more efficiently with the vulnerability of wireless networks to transmission errors. But they all come with specific advantages and disadvantages. The Partial Packet Recovery (PPR) is and among the most widespread and promising ones. It utilizes the partially received packets to recover the erroneous packet and thus attempts to avoid retransmissions as much as possible.

In this thesis, we aim at correcting and recovering corrupted packets at the receiver instead of ignoring them and asking for retransmissions. Accordingly, we introduce three methods at the receiver’s side : Majority Voting with Checksum Validation (MVCV), Dissimilarity-based Enumeration Packet Recovery with Checksum Validation (DEPRCV), and Cross-Layer Packet Recovery (CLPR). They all attempt to reconstruct the error-free packets relying on one or several erroneously received copies. MVCV relies on the majority of bit value occurrences among received packets at each bit position. DEPRCV identifies bit positions where different values are observed within each received packet and constructs a list of possible error-free packets. In both methods, the candidate reconstructed packets are validated with the Transmission Control Protocol (TCP) checksum. Finally, CLPR combines a recently proposed CRC-based Error Correction (CRC-EC) method with DEPRCV and MVCV. A key benefit of these methods is that it doesn’t require any change to TCP, i.e., compatible with TCP, and can be easily implemented in a client.

Simulation results show the superiority of the proposed methods in terms of the number of retransmissions and transmission delay when compared to TCP and CRC-based Error Correction (CRC-EC). They also improve effective network throughput and energy efficiency. For instance, at a Bit Error Rate (BER) of 0.0001, TCP and CRC-EC both require 3 retransmissions to deliver reliably 99.9% of the packets while MVCV, DEPRCV and CLPR require 2, 2, and 1 retransmissions, respectively, in order to reach the same 99.9% reliability level. For a higher BER of 0.001, for the reliable delivery of 99.9% of the packets, TCP and CRC-EC require at least 20 and 8 retransmissions, respectively, while MVCV, DEPRCV and CLPR require 3, 1, and 1 retransmissions.

Titre traduit

Correction et récupération de paquets basées sur la combinaison de paquets et la collaboration inter-couches pour des communications TCP efficaces

Résumé traduit

Au cours des dernières décennies, nous avons assisté à une expansion sans cesse croissante des réseaux et des applications sans fil. Bien que ces réseaux soient sujets à des erreurs de transmission, nous parvenons à avoir une livraison de données fiable grâce à l’utilisation de protocoles tels que le Transmission Control Protocol (TCP) universellement utilisé. Ce dernier utilise des retransmissions, lorsque les données reçues sont corrompues, pour assurer des communications fiables au détriment d’une augmentation des délais de transmission et du surdébit. Pour éviter ces inconvénients, des méthodes améliorées de correction des erreurs et de récupération de paquets sont nécessaires.

De nombreuses approches ont été proposées pour faire face plus efficacement à la vulnérabilité des réseaux sans fil aux erreurs de transmission. Mais ils ont tous des avantages et des inconvénients spécifiques. Le Partial Packet Recovery (PPR) est parmi les plus répandus et les plus prometteurs. Il utilise les paquets partiellement reçus pour récupérer le paquet erroné et tente ainsi d’éviter autant que possible les retransmissions.

Dans cette thèse, nous visons à corriger et à récupérer les paquets corrompus au niveau du récepteur au lieu de les ignorer et de demander des retransmissions. En conséquence, nous introduisons trois méthodes du côté du récepteur: la reconstruction par majorité absolue (Majority Voting with Checksum Validation (MVCV)), la reconstruction par énumération des différences avec validation par somme de contrôle (Dissimilarity-based Enumeration Packet Recovery with Checksum Validation (DEPRCV)) et la reconstruction par approche inter-couches (Cross-Layer Packet Recovery (CLPR)). Elles tentent toutes de reconstruire les paquets en se basant sur une ou plusieurs copies reçues en erreur. MVCV repose sur la majorité des occurrences de valeur de bit parmi les paquets reçus à chaque position de bit. DEPRCV identifie les positions de bits où différentes valeurs sont observées dans chaque paquet reçu et construit une liste possible de paquets sans erreur. Dans les deux méthodes, les paquets candidats reconstruits sont validés avec la somme de contrôle Transmission Control Protocol (TCP). Enfin, CLPR combine une méthode CRC-based Error Correction (CRC-EC) récemment proposée avec DEPRCV et MVCV. Un avantage clé de ces méthodes est qu’elles ne nécessitent aucune modification de TCP, c’est-à-dire qu’elles sont compatible avec la norme TCP, et peuvent être facilement implémentées dans un client.

Les résultats de la simulation montrent la supériorité des méthodes proposées en termes de nombre de retransmissions et de délai de transmission par rapport à TCP et CRC-based Error Correction (CRC-EC). Ces méthodes améliorent également le débit efficace du réseau et l’efficacité énergétique. Par exemple, à un taux de bits en erreur de 0.0001, TCP et CRC-EC nécessitent tous deux 3 retransmissions pour livrer de manière fiable 99.9% des paquets tandis que MVCV, DEPRCV et CLPR nécessitent 2, 2 et 1 retransmissions pour atteindre les 99.9 % de livraison fiable des paquets. Pour un taux de bits en erreur plus élevé de 0.001, pour une livraison fiable de 99.9% des paquets, TCP et CRC-EC nécessitent au moins 20 et 8 retransmissions dans cet ordre, tandis que MVCV, DEPRCV et CLPR ne nécessitent que 3, 1 et 1 retransmissions, respectivement.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in information technology engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 81-84).
Mots-clés libres:	correction d’erreurs, protocole de contrôle de transmission, combinaison de paquets, contrôle de redondance cyclique (CRC), correction d’erreurs basée sur le CRC, TCP
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Coulombe, Stéphane
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie des technologies de l'information
Date de dépôt:	05 avr. 2022 19:09
Dernière modification:	05 avr. 2022 19:09
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2955

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