[論文レビュー] Analysis and Throughput Optimization of Selective Chase Combining for OFDM Systems

Taniya Shafique, Muhammad Zia+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2015

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、OFDMシステムにおけるクロスレイヤー多重選択的チェース結合（MSCC）および選択的再送付きチェース結合（CCWS）を提案し、SNR閾値に基づいて品質が悪いサブキャリアのみを再送することで、スループットを最適化する。特に低SNR環境において、選択的再送を統合的に復号することにより顕著なスループット向上を達成しており、解析的境界値とシミュレーション結果がよく一致している。

ABSTRACT

In this paper, we present throughput analysis and optimization of bandwidth efficient selective retransmission method at modulation layer for conventional Chase Combining (CC) method under orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signaling. Most of the times, there are fewer errors in a failed packet and receiver can recover from errors receiving partial copy of original frame. The proposed selective retransmission method at modulation layer for OFDM modulation requests retransmission of information corresponding to the poor quality subcarriers. In this work, we propose cross-layer multiple selective Chase combining (MSCC) method and Chase combining with selective retransmission (CCWS) at modulation level. We also present bit-error rate (BER) and throughput analysis of the proposed MSCC and CCWS methods. In order to maximize throughput of the proposed methods under OFDM signaling, we formulate optimization problem with respect to amount of information to be retransmitted in selective retransmission in the event of packet failure. We present tight BER upper bounds and tight throughput lower bounds for the proposed selective Chase combining methods. The simulation results demonstrate significant throughput gain of the optimized selective retransmission methods over conventional retransmission methods. The throughput gain of the proposed selective retransmission atmodulation layer are also holds for conventional for hybrid automatic repeat request (HARQ) methods.

研究の動機と目的

• 部分的な誤りしか生じないにもかかわらず、全パケットを再送する従来のチェース結合（CC）の非効率性を是正すること。
• OFDMにおける周波数選択性 fading を活用し、チャネル品質が悪いサブキャリアのみを特定的に再送すること。
• 選択的再送におけるチャネルノルムの閾値を最適化し、システムスループットを最大化すること。
• BERおよびスループットのタイトな解析的境界を導出し、シミュレーションに頼らない性能評価を可能にすること。
• 低〜中程度のSNR領域において、変調層での選択的再送が従来のARQおよびHARQ手法を上回ることを示すこと。

提案手法

• 変調層におけるクロスレイヤー選択的再送戦略を提案し、信号対雑音比（SNR）が低いサブキャリアのみを標的とする。
• 異なるサブキャリアからの複数の選択的再送を統合的に復号するための多重選択的チェース結合（MSCC）を導入する。
• 各サブキャリアのチャネル利得のノルムをチャネル品質指標として用い、再送が必要なサブキャリアを特定する。
• スループットを最大化するためのチャネルノルムの閾値τを最適化し、最適なSNR点を網羅的に探索することで導出する。
• ビット誤り率（BER）のタイトな上界およびスループットの下界を導出し、性能解析を可能にする。
• レイリー fading 環境下での半レート LDPC コードを用いたモンテカルロシミュレーションにより、提案手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OFDMにおける品質が悪いサブキャリアのみの選択的再送は、全パケット再送と比較してどのようにスループットを向上させるか？
• RQ2 選択的チェース結合方式において、スループットを最大化するためのチャネルノルムの最適閾値τは何か？
• RQ3 複数の選択的再送を統合的に復号すること（MSCC）は、BERおよびスループット性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 実用的なOFDMシステムにおいて、BERおよびスループットの解析的境界値とシミュレーション結果の一致度合いはどの程度か？
• RQ5 提唱された手法は、ハイブリッドARQ（HARQ）プロトコルと統合されてもスループット向上を維持できるか？

主な発見

• 提案されたMSCC手法は、従来のSCCおよびCCWSと比較して、特に低SNRおよび中程度SNR領域で顕著なスループット向上を達成している。
• 最適閾値τ₀を用いたCCWSのスループットは、全再送BERと一致させるために設定された閾値τ_fを用いたCCWSを上回っており、最適な閾値選択が性能向上に寄与していることが示された。
• 解析的スループット境界値とモンテカルロシミュレーション結果との間には僅かな差異しかなく、導出された下界の正確性が裏付けられた。
• BER性能が常にスループットに相関するわけではない。τ_∞におけるBERが低くても、τ₀がスループットを最大化するため、より高いBERであってもスループットは向上する。
• 最適化された選択的再送手法のスループットは、従来のチェース結合（CC）およびARQを上回っており、HARQプロトコルと組み合わせても同様の向上が得られている。
• シミュレーション結果から、最適閾値τ₀を用いたCCWS-HARQは、従来のCC-HARQ（全再送）と同等のBER性能を達成している一方で、より高いスループットを実現していることが示された。