Cross-Layer Design for Quality of Service provisioning in AMC/ARQ-based wireless networks

Abstract

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.