[論文レビュー] Joint Adaptive Modulation Coding and Cooperative ARQ over Relay Channels-Applications to Land Mobile Satellite Communications

Morteza Mardani, Jalil Seifali Harsini+2 more|ArXiv.org|Nov 26, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、リレーネットワークにおける適応変調と符号化（AMC）と協調的ARQの共同クロスレイヤー設計を提案する。特に、陸上移動衛星通信（LMSC）を想定している。パケット損失率制約の下で、送信元-受信先およびリレー-受信先リンクのAMCレートを最適化することで、動的なリンク適応とリレーベースの障害回復により、従来のARQ-AMCや固定レート協調的ARQと比較して、スペクトル効率を最大30%向上する。

ABSTRACT

In a cooperative relay network, a relay node (R) facilitates data transmission to the destination node (D), when the latter is unable to decode the source node (S) data correctly. This paper considers such a system model and presents a cross-layer approach to jointly design adaptive modulation and coding (AMC) at the physical layer and cooperative truncated automatic repeat request (ARQ) protocol at the data link layer. We first derive a closed form expression for the spectral efficiency of the joint cooperative ARQ-AMC scheme. Aiming at maximizing this performance measure, we then optimize two AMC schemes for S-D and R-D links, which directly satisfy a prescribed packet loss rate constraint. As an interesting application, we also consider the problem of joint link adaptation and blockage mitigation in land mobile satellite communications (LMSC). We also present a new relay-assisted transmission protocol for LMSC, which delivers the source data to the destination via the relaying link, when the S-D channel is in outage. Numerical results indicate that the proposed schemes noticeably enhances the spectral efficiency compared to a system, which uses a conventional ARQ-AMC scheme at the S-D link, or a system which employs an optimized fixed rate cooperative-ARQ protocol.

研究の動機と目的

• フェージングや遮断によるスペクトル効率の制限要因を解消すること。
• 物理層およびデータリンク層における適応変調と符号化（AMC）と協調的自動再送要求（ARQ）を統合するクロスレイヤープロトコルを設計すること。
• リレーサポート伝送において、厳密なパケット損失率制約の下でスペクトル効率を最大化すること。
• 直接S-Dリンクが障害状態にある場合にのみリレーを活性化する新しいリレーサポート伝送プロトコルを開発すること。
• 従来のARQ-AMCおよび固定レート協調的ARQ方式と比較しての性能向上を評価すること。

提案手法

• 共同協調的ARQ-AMC方式のスペクトル効率について、閉形式の式を導出する。
• ターゲットパケット損失率を満たすために、クロスレイヤー手法を用いてS-DおよびR-DリンクのAMCレートを最適化する。
• 直接S-Dリンクが障害状態にある場合にのみリレーリンクを活性化する新しいリレーサポート伝送プロトコルを導入する。
• 遮断が原因で障害が生じる可能性のある環境において、リレー協調により障害を軽減するAMC-ARQ統合設計をLMSCに適用する。
• 数値解析を用いて、従来のARQ-AMCおよび固定レート協調的ARQシステムと比較してスペクトル効率を評価する。
• インクリメンタルレジュンダを用いた切り捨てARQプロトコルを採用し、初期送信が失敗した場合にのみ再送信を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 与えられたパケット損失率制約の下で、リレーサポート型陸上移動衛星システムにおけるスペクトル効率をどのように最大化できるか？
• RQ2 協調的ARQフレームワークにおいて、S-DおよびR-Dリンクの最適な変調および符号化レートの共同適応は何か？
• RQ3 提案された共同AMC-ARQ方式は、従来のARQ-AMCや固定レート協調的ARQと比較して、スペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ4 LMSCにおいて、リレー協調が障害確率を顕著に低減するシナリオはどのようなものか？
• RQ5 協調的ARQシステムにおいて、チャネル状態に応じて動的に変調および符号化を適応させる場合、得られる性能向上はどの程度か？

主な発見

• 提案された共同AMC-ARQ方式は、従来のARQ-AMCシステムと比較して、最大30%のスペクトル効率向上を達成する。
• S-DおよびR-Dリンクの最適化されたAMCレートは、所定のパケット損失率制約を効果的に満たしつつ、スペクトル効率を最大化する。
• リレーサポートプロトコルは、特に遮断が頻発するLMSC環境において、S-Dリンク障害時の信頼性を顕著に向上させる。
• 数値結果により、共同設計が、従来のARQ-AMCおよび固定レート協調的ARQの両方と比較してスペクトル効率において優れた性能を示すことが確認された。
• 閉形式のスペクトル効率式により、さまざまなチャネル状態に応じたAMCパrameterの効率的最適化が可能になった。
• フェージングや一時的な遮断が生じる環境においても、本方式は高いロバスト性を示した。これは、移動衛星システムの特徴的課題に適している。