In the last years, the explosive development of wireless services and applications
has produced an unprecedented revolution in wireless communications systems.
The impact of wireless fading channels on the quality of service (QoS) provisioning
for such heterogeneous mobile users is one of the most challenging issues for nextgeneration
wireless networks.
In order to support the diverse QoS requirements of wireless applications,
innovative techniques have been proposed at the physical (PHY) layer. Among
them, the rate-adaptive modulation and coding (AMC) scheme has received significant
research attention, resulting in its adoption in most state-of-the-art wireless
communications standards.
With the aim of enhancing the link reliability to guarantee the QoS constraints
of new applications, most modern communication systems use error control strategies
at the data link control (DLC) layer. Among them, we can distinguish two
basic approaches: the forward error correction (FEC) scheme, in which an errorcorrection
code is used, and the automatic repeat request (ARQ) scheme, in which
a code with good error-detection capability is used. In the latter case, when a
received codeword is detected in error, the packet is retransmitted until it is
correctly received (infinitely persistent ARQ) or until a preset number of retransmissions
have taken place (truncated ARQ). In order to achieve the advantages
of both strategies, most state-of-the-art wireless communications standards use
combinations of ARQ and FEC. Moreover, recent proposals make use of one or
multiple intermediate relay stations to forward data from a source node to the corresponding
destination node. As a result, a performance improvement is obtained
due to spatial diversity, which is generated by transmitting signals from different
locations (source and relay(s)), thus providing independently faded versions of the
signal at the receiver.
Cross-layer design in wireless networks, where one allows the stack protocol
layers to interact and share information, has become increasingly popular over
the past few years. In particular, many recent cross-layer proposals coincide in
combining AMC at the PHY layer with an ARQ protocol at the DLC layer.
These cross-layer designs improve the spectral efficiency by jointly exploiting the
adaptability of AMC to the wireless channel conditions and the error-correcting
capability of ARQ-based error control strategies.
The main goal of this dissertation is to provide a unified view of the crosslayer
design, analysis and optimization of AMC/ARQ-based wireless systems to
allow the joint optimization of both the PHY and the DLC layers. The adopted
approach for tackling this problem will rely on the use of discrete time Markov
i chains (DTMCs) to jointly consider the packet arrival, the queueing process and
the PHY layer. To that end, a novel first-order two-dimensional Markov model of
the PHY layer is developed, which takes into account the wireless channel characteristics
and de AMC scheme. The availability of accurate models for the PHY
layer characterization is one of the key motivations of this work in order to guarantee
a correct analysis of the QoS metrics at the DLC layer. Using this model, the
interactions between the PHY and DLC layers are analyzed either when infinitely
persistent or truncated ARQ-based error control protocols are implemented. Additionally,
a cooperative scheme is also proposed, in which the relay node is in
charge of retransmitting the erroneously received packets at the destination. This
DTMC-based model allows the analytic derivation of various system performance
metrics, namely, throughput, average packet delay and packet loss rate (both
due to buffer overflow and due to exceeding the maximum number of allowed
retransmissions). For the sake of comparison with non Markov-based analytical
tools, the infinitely persistent ARQ protocol is also analyzed through the effective
bandwidth/capacity theory. Both analytical frameworks are compared, showing
the superiority of the Markov-based approach, which more faithfully reproduces
the real system behaviour at the cost of higher complexity in the analysis. The
proposed analytical framework allows the formulation of cross-layer multidimensional
design strategies, aiming at the maximization of the average throughput of
the system while satisfying prescribed QoS requirements in the form of average
packet loss rate and average delay. Finally, an explicit analysis of the impact
on the system performance of the delay in the channel state information (CSI)
feedback is also presented. / No hi ha cap dubte que en els darrers anys els serveis i les aplicacions en entorns de
comunicacions sense fils han experimentat un desenvolupament sense precedents.
Les demandes creixents en termes de taxa de transmissió i de mobilitat per part
dels usuaris s’han d’afegir a la heterogeneïtat dels requeriments de qualitat de
servei (QoS, de l’anglès Quality of Service) de les aplicacions. A tot això s’hi
ha de sumar l’efecte dels esvaïments selectius, tant en temps com en freqüència,
intrínsecs als canals sense fils. Aleshores, el desenvolupament d’aquest tipus de
sistemes representa un vertader repte a l’hora de dissenyar solucions capaces de
suportar les exigències de QoS, com per exemple taxa màxima d’error de paquet
o bé retard màxim, tant per a les aplicacions mòbils actuals com per a les futures.
S’ha desenvolupat un gran nombre d’estratègies amb l’objectiu de fer front a
l’impacte dels esvaïments sobre les prestacions d’aquests sistemes i aconseguir així
millorar l’eficiència espectral i/o energètica de la capa física. Entre elles es poden
destacar els esquemes de modulació i codificació adaptativa (AMC, de l’anglès
Adaptive Modulation and Coding). La immensa majoria dels actuals estàndards
de comunicacions sense fils han adoptat aquesta tècnica, que consisteix bàsicament
en ajustar la modulació i la codificació a les condicions canviants del canal.
Per altra banda, els requeriments de QoS de les noves aplicacions tan sols es
poden satisfer amb l’ajut d’esquemes que permeten millorar la fiabilitat de l’enllaç.
Així, l’ús d’estratègies de control d’errors a la capa d’enllaç de dades (DLC, de
l’anglès Data Link Control) s’ha convertit en una part fonamental dels sistemes
de comunicacions actuals. Les tècniques de control d’errors es poden classificar
bàsicament en dues categories. La primera la formen els esquemes que permeten
la detecció i possible correcció d’errors (FEC, de l’anglès Forward Error Correction),
mentre que la segona categoria correspon als esquemes que possibiliten
la detecció d’errors i la sol·licitud de retransmissió (ARQ, de l’anglès Automatic
Repeat Request). En aquest cas, quan un paquet és rebut amb errors, es va demanant
la seva retransmissió fins que es rep correctament (persistència infinita)
o bé fins que se supera el màxim nombre permès de retransmissions (truncat).
La majoria dels estàndards de comunicacions sense fils moderns utilitzen combinacions
dels esquemes FEC i ARQ per tal de gaudir dels avantatges d’ambdues
estratègies. S’ha d’afegir, a més, que existeixen multitud de propostes recents en
què es disposa d’un o varis nodes intermediaris entre la font i el destí, anomenats
repetidors (en anglès relays), que assisteixen la comunicació. S’aconsegueix així
millorar l’efectivitat de la transmissió explotant la diversitat espacial resultant de
la incorporació de camins addicionals de comunicació entre la font i el destí.
D’acord amb la filosofia del disseny intercapes (en anglès cross-layer), en
contraposició a l’optimització local a cada capa de la pila de protocols, es du a terme
una optimització conjunta de determinats paràmetres corresponents a distintes
capes, amb la finalitat de millorar les prestacions del sistema en la seva globalitat.
En contret, en els darrers temps han aparegut un gran nombre de propostes
de dissenys intercapes que combinen la utilització d’esquemes AMC a la capa
física amb l’ús de protocols ARQ a la capa d’enllaç de dades. Aquests dissenys
aconsegueixen millorar l’eficiència espectral traient profit de manera conjunta de
l’adaptabilitat d’AMC a les condicions canviants del canal sense fils i de la capacitat
detectora/correctora d’errors d’ARQ.
En aquest treball de recerca es desenvolupa un marc teòric per al disseny,
l’anàlisi i l’optimització intercapes de sistemes sense fils que combinen esquemes
AMC amb protocols ARQ. Aquesta proposta es basa en la utilització de cadenes
discretes de Markov (DTMC, de l’anglès Discrete Time Markov Chain) per descriure
de manera conjunta el comportament estadístic del procés d’arribades de
paquets, el sistema de cues i la capa física. Per això, en primer lloc es desenvolupa
un model de Markov bidimensional de primer ordre de la capa física que té en
compte les característiques del canal sense fils i l’esquema AMC. Aquest és un pilar
fonamental pel desenvolupament del present treball de recerca, ja que disposar
d’un model capaç de capturar amb precisió el comportament de la capa física és
un requisit indispensable per a garantir una anàlisi correcta dels paràmetres de
QoS a la capa d’enllaç de dades. En base a aquest model, s’investiguen les interaccions
entre aquestes dues capes quan s’implementen protocols ARQ, ja sigui
amb persistència infinita o truncats. A més, es proposa un esquema cooperatiu
en què un node repetidor és l’encarregat de dur a terme les retransmissions dels
paquets que la font no aconsegueix transmetre correctament al destí. A partir
de la modelització basada en DTMCs es poden obtenir les expressions analítiques
dels paràmetres que caracteritzen el comportament de les prestacions del sistema,
com són la taxa efectiva de transmissió de paquets (en anglès throughput), el retard
mitjà i la taxa mitjana de pèrdua de paquets, ja sigui per desbordament de
les cues o bé per superar el nombre màxim permès de retransmissions. Amb el
propòsit de comparar aquesta metodologia amb eines analítiques no basades en
l’ús de cadenes de Markov, el cas d’ARQ amb persistència infinita s’analitza també
aplicant la teoria d’amplada de banda i capacitat efectives. Ambdues anàlisis són
detalladament contrastades, confirmant la superioritat del primer mètode quant a
fidelitat en l’estimació del comportament del sistema real, a costa d’un increment
en la complexitat de l’anàlisi. El model analític proposat és utilitzat per a desenvolupar
distintes estratègies de disseny intercapes amb l’objectiu de proporcionar
garanties de QoS en termes de retard màxim i taxa màxima de pèrdua de paquets.
Per acabar, s’investiguen els efectes que té el retard en l’estimació de l’estat del
canal sobre els paràmetres de QoS del sistema.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UIB/oai:www.tdx.cat:10803/84121 |
| Date | 10 July 2012 |
| Creators | Ramis Bibiloni, Jaume |
| Contributors | 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 | 157 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 0.0025 seconds