Network-Coded Multiple Access
Presented by Soung Liew
(Joint Work with Lu Lu, Lizhao You, Shenghao Yang)
Institute of Network Coding
The Chinese University of Hong Kong
March 2014
culogo
INC_logo_small
Soung Liew, CUHK
1
culogo
INC_logo_small
March 2014
2
Background on PNC
First proposed in Mobicom 06 [1]
A subfield of Network Coding building up momentum in recentyears:
-Google scholar citations: 1000+ (annual growth ~300)
-A main topic in special journal issues and numerous conferences.
-A main topic in an upcoming IEEE JSAC issue on wireless networkcoding
-Half-day workshop in IEEE WNCN 2013: New Advances for PNC
-Invited talks
[1] S.  Zhang, S. C. Liew, P. P. Lam, “Physical-Layer Network Coding,”  ACM Mobicom 2006 .
Similar idea in
[2] P. Popovski and H. Yomo, “The anti-packets can increase the achievable throughput of a wireless multi-hop network,”ICC 2006.
Soung Liew, CUHK
culogo
INC_logo_small
March 2014
Simplest Set-up: Two-Hop LinearNetwork
Two-way Relay Channel (TWRC)
No direct channel between nodes A and B.
Half duplex: nodes cannot transmit and receive at thesame time.
What is the minimum number of time slots neededfor nodes A and B to exchange one packet via relay R?
A
R
B
SA
SB
Soung Liew, CUHK
3
culogo
INC_logo_small
PNC
March 2014
A
R
B
SA
SB
Time slot 1
Time slot 2
Transmissions by nodes A and B are simultaneous!
Soung Liew, CUHK
4
culogo
INC_logo_small
March 2014
PNC for Multiple Access(Non-Relay Setting)?
Access point wants to get both Message A and Message B,not just their XOR
Does PNC have a role to play?
Relay Network
Soung Liew, CUHK
5
Wireless LAN
Access Point
culogo
INC_logo_small
PNC In Non-Relay Network:Network Coding Multiple Access (NCMA)
Nodes A and B send CA  and CB  to AP simultaneously
AP tries to decode packets CA CB, and
March 2014
Soung Liew, CUHK
6
A
AP
B
culogo
INC_logo_small
PHY-Layer Decoders of NCMA
March 2014
Soft Information (Log Likelihood Ratio:                                     , k=1,2,… )
Soung Liew, CUHK
7
culogo
INC_logo_small
   PHY-layer Bridging
March 2014
Soung Liew, CUHK
8
culogo
INC_logo_small
   Are Lone XOR Packets Useful?
March 2014
Complementary XOR
Lone XOR
Soung Liew, CUHK
9
Do lone XOR packets have a role to play?
culogo
INC_logo_small
March 2014
MAC-Layer Erasure Code + PHY-Layer Channel Code
Soung Liew, CUHK
10
culogo
INC_logo_small
     MAC-Layer Bridging with L = 3
March 2014
Soung Liew, CUHK
11
culogo
INC_logo_small
Experiments: Layout of Indoor Environment for 9 USRPN210 Nodes
Institute of Network Coding (INC)
March 2014
Soung Liew, CUHK
12
culogo
INC_logo_small
PHY-Layer Packet Decoding Statistics(Balanced Power Case)
AB: Both A and B decoded
AX|BX: A and XOR decoded or B and XOR decoded
A|B: Either only A or only B decoded
X: Only XOR decoded
March 2014
Soung Liew, CUHK
13
culogo
INC_logo_small
PNC decoding works but MUD doesnot when phases are aligned
March 2014
Soung Liew, CUHK
14
ReceivedSignal
Decode Outcomes
culogo
INC_logo_small
PNC does add value when phases areseverely misaligned
March 2014
Soung Liew, CUHK
15
Decode Outcomes
ReceivedSignal
culogo
INC_logo_small
Combination of PNC and MUD is effective whenphases are moderately misaligned
March 2014
Soung Liew, CUHK
16
ReceivedSignal
Decode Outcomes
 
culogo
INC_logo_small
March 2014
Soung Liew, CUHK
17
Overall Throughputs of Different Schemes forDifferent SNRs LA = 1.5×LB = 24.
culogo
INC_logo_small
Pairing Strategies
March 2014
Soung Liew, CUHK
18
Scenario: Four users at locations 2, 3, 4, 5.
                How to form pairs?
Pair “strong with weak” rather than “strong with strong and weak with weak”
Strategy 1: pair 2 with 3; 4 with 5
Strategy 2: pair 3 with 4;  2 with 5
12.3dB     9dB        7dB       7.4dB
culogo
INC_logo_small
Linearly Coupled Codes at MAC Layer
Single-equation System:
March 2014
Soung Liew, CUHK
19
culogo
INC_logo_small
Linearly Coupled Raptor Codes
Near optimal and availability of fastdecoding
March 2014
Soung Liew, CUHK
20
culogo
INC_logo_small
Dynamic Equation
March 2014
Soung Liew, CUHK
21
culogo
INC_logo_small
Degree Optimization Problem
March 2014
Soung Liew, CUHK
22
For some positive integer
culogo
INC_logo_small
Use SIC at low SNR Regime
Suppose an (N,3) RS code
March 2014
Soung Liew, CUHK
23
SlotIndex
PHY-layerSIC
Cross-layerSIC
Messagedecoding
1
2
3
4
5
culogo
INC_logo_small
Overall Throughputs of Different Schemes forDifferent SNRs LA = 1.5×LB = 24.
March 2014
Soung Liew, CUHK
24
culogo
INC_logo_small
NCMA: Conclusion
First venture into non-relay (multiple-access)setting for PNC
PNC may have a role to play in the multipleaccess scenario:
To simplify decoder design
For delivering jumbo messages
Ongoing NCMA Investigations:
Better performance for high and low SNR regime
Investigation of linearly-coupled code for MAC layerof NCMA
March 2014
Soung Liew, CUHK
25
culogo
INC_logo_small
The End
March 2014
Soung Liew, CUHK
26
culogo
INC_logo_small
Throughputs of Four User Pairs
March 2014
Soung Liew, CUHK
27
culogo
INC_logo_small
Overall Throughputs of Different Schemes with RS codeparameter  LA = 4, 8, 16, 32, and fixed SNR = 9dB.
March 2014
Soung Liew, CUHK
28
culogo
INC_logo_small
Throughputs of Nodes A and B, with SNR of Node A fixedat 9.5dB, and SNR of Node B Varied.
March 2014
Soung Liew, CUHK
29
culogo
INC_logo_small
March 2014
30
Frequency-Domain PNC (FPNC) in GNU Radio testbed,
PNC Implementation: Wireless
Soung Liew, CUHK
D:\Thesis\slice\picture of usrp\DSC02658.JPG
A
B
R