The latestWLAN standard, known as IEEE 802.11n, has notably increased the network
capacity with respect to its predecessors thanks to the incorporation of the multipleinput
multiple-output (MIMO) technology. Nonetheless, the new amendment, as its
previous ones, does not specify how crucial configuration mechanisms, most notably
the adaptive modulation and coding (AMC) algorithm should be implemented. The
AMC process has proved essential to fully exploit the system resources in light of varying
channel conditions.
In this dissertation, a closed-loop AMC technique, referred to as fast link adaption
(FLA) algorithm, that effectively selects themodulation and coding scheme (MCS)
for multicarriermultiantennaWLAN networks is proposed. The FLA algorithm determines
the MCS that maximizes the throughput while satisfying a quality of service
(QoS) constraint, usually defined in the form of an objective packet error rate (PER).
To this end, FLA uses a packet/bit error rate prediction methodology based on the
exponential effective SNRmetric (EESM).
The FLA algorithm performance has been evaluated under IEEE 802.11n systems
that thanks to the incorporation of a feedbackmechanismare able to implement closed-
loop AMC mechanisms. Initially, this AMC technique relies only on physical layer
information but it is subsequently extended to also take into account themediumaccess
control (MAC) sublayer performance. At the physical layer, the FLA algorithm
has demonstrated its effectivity by performing very close to optimality in terms of
throughput, while satisfying a prescribed PER constraint. The FLA algorithm has also
been evaluated using imperfect channel information. It has been observed that the
proposed FLA technique is rather robust against imperfect channel information, and
only in highly-frequency selective channels, imperfect channel knowledge causes a
noticeable degradation in throughput.
At the MAC sublayer, the FLA algorithm has been complemented with a timeout
strategy that weighs down the influence of the available channel information as this
becomes outdated. This channel information outdate is caused by the MAC sublayer
whose user multiplexing policy potentially results in large delays between acquiring
the instant in which the channel state information is acquired and that in which the
channel is accessed. Results demonstrate the superiority of FLA when compared to
open-loop algorithms under saturated and non-saturated conditions and irrespective
of the packet length, number of users, protocol (CSMA/CA or CDMA/E2CA) and access
scheme (Basic Access or RTS/CTS).
Additionally, several analytical models have been developed to estimate the system
performance at the MAC sublayer. These models account for all operational details
of the IEEE 802.11n MAC sublayer, such as finite number of retries, anomalous slot or channel errors. In particular, a semi-analytical model that assesses the MAC
layer throughput under saturated conditions, considering the AMC performance is
first introduced. Then, an analytical model that allows the evaluation of the QoS performance
under non-saturated conditions is presented. This model focuses on single
MCS and it is able to accurately predict very important system performance metrics
such as blocking probability, delay, probability of discard or goodput thanks to the
consideration of the finite queues on each station. Finally, the previous non-saturated
analytical approach is used to define a semi-analytical model in order to estimate the
system performance when considering AMC algorithms (i.e. whenmultiple MCSs are
available). / La darrera versió de l’estàndard deWLAN, anomenada IEEE 802.11n, ha augmentat la
seva capacitat notablement en relació als sistemes anteriors gràcies a la incorporació
de la tecnologia de múltiples antenes en transmissió i recepció (MIMO). No obstant
això, la nova proposta, al igual que les anteriors, segueix sense especificar com s’han
d’implementar elsmecanismes de configuraciómés crucials, un dels quals és l’algoritme
de codificació imodulació adaptativa (AMC). Aquests algoritmes ja han demostrat
la seva importància a l’hora demaximitzar el rendiment del sistema tenint en compte
les condicions canviants del canal.
En aquesta tesis s’ha proposat un algoritme AMC de llaç tancat, anomenat adaptació
ràpida de l’enllaç (FLA), que selecciona eficientment l’esquema demodulació i codificació
adaptativa per xarxes WLAN basades en arquitectures multiportadora multiantena.
L’algoritme FLA determina el mode de transmissió capaç de maximitzar el
throughput per les condicions de canal actuals, mentre satisfà un requisit de qualitat
de servei en forma de taxa d’error per paquet (PER). FLA utilitza una metodologia
de predicció de PER basada en l’estimació de la relació senyal renou (SNR) efectiva
exponencial (EESM).
El rendiment de l’algoritme FLA ha estat avaluat en sistemes IEEE 802.11n, ja que
aquests, gràcies a la incorporació d’unmecanisme de realimentació demodes de transmissió,
poden adoptar solucions AMC de llaç tancat. En una primera part, l’estudi s’ha
centrat a la capa física i després s’ha estès a la subcapa MAC. A la capa física s’ha demostrat
l’efectivitat de l’algoritme FLA aconseguint un rendiment molt proper al que
ens proporcionaria un esquema AMC òptim en termes de throughput, alhora que es
satisfan els requisits de PER objectiu. L’algoritme FLA també ha estat avaluat utilitzant
informació imperfecte del canal. S’ha vist que l’algoritme FLA proposat és robust
en front dels efectes d’estimació imperfecte del canal, i només en canals altament selectius
en freqüència, la informació imperfecte del canal provoca una davallada en el
rendiment en termes de throughput.
A la subcapa MAC, l’algoritme FLA ha estat complementat amb una estratègia de
temps d’espera que disminueix la dependència amb la informació de canal disponible
a mesura que aquesta va quedant desfassada respecte de l’estat actual. Aquesta
informació de canal desfassada és conseqüència de la subcapa MAC que degut a la
multiplexació d’usuaris introdueix grans retards entre que es determina el mode de
transmissió més adequat i la seva utilització per a l’accés al canal. Els resultats obtinguts
han demostrat la superioritat de FLA respecte d’altres algoritmes de llaç obert
en condicions de saturació i de no saturació, i independentment de la longitud de paquet,
nombre d’usuaris, protocol (CSMA/CA i CSMA/E2CA) i esquema d’accés (Basic
Access i RTS/CTS).
Amés, s’han desenvolupat diversosmodels analítics per tal d’estimar el rendiment
del sistema a la subcapa MAC. Aquests models consideren tots els detalls de funcionament
de la subcapaMAC del 802.11n, comper exemple un nombre finit de retransmissions
de cada paquet, l’slot anòmal o els errors introduïts pel canal. Inicialment
s’ha proposat unmodel semi-analític que determina el throughtput en condicions de
saturació, considerant el rendiment dels algoritmes AMC. Després s’ha presentat un
model analític que estima el rendiment del sistema per condicions de no saturació,
mitjançat elmodelat de cues finites a cada estació. Aquestmodel consideramodes de
transmissió fixes i és capaç de determinar de manera molt precisa mètriques de rendimentmolt
importants comsón la probabilitat de bloqueig de cada estació, el retard
mitjà del paquets, la probabilitat de descart o la mesura del goodput. Finalment, el
model analític de no saturació s’ha utilitzat per definir un model semi-analític per tal
d’estimar el rendiment del sistema quan es considera l’ús d’algoritmes AMC.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UIB/oai:www.tdx.cat:10803/123435 |
| Date | 10 July 2013 |
| Creators | Martorell Lliteras, Gabriel |
| Contributors | Riera Palou, Felip, Femenias Nadal, Guillem, Universitat de les Illes Balears. Departament de Ciències Matemàtiques i Informàtica |
| Publisher | Universitat de les Illes Balears |
| Source Sets | Universitat de les Illes Balears |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 197 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
Page generated in 0.0029 seconds