[논문 리뷰] Joint Adaptive Modulation Coding and Cooperative ARQ over Relay Channels-Applications to Land Mobile Satellite Communications

Morteza Mardani, Jalil Seifali Harsini외 2명|ArXiv.org|2008. 11. 26.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 릴레이 네트워크에서 적응형 변조 및 코딩(AMC)과 협업형 ARQ의 공동 계층 설계를 제안한다. 특히 지상 이동 위성 통신(LMSC)을 대상으로 한다. 패킷 손실률 제약 조건 하에서 소스-대상 및 릴레이-대상 링크의 AMC 속도를 최적화함으로써, 동적 링크 적응 및 릴레이를 통한 장애 복구를 통해 기존의 ARQ-AMC나 고정 속도 협업형 ARQ보다 최대 30% 높은 스펙트럼 효율을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• fading과 차단으로 인한 스펙트럼 효율 저하 문제를 해결하기 위해.
• 물리 계층과 데이터 링크 계층에서 적응형 변조 및 코딩(AMC)을 협업형 자동 재전송 요청(ARQ)과 통합한 계층 간 프로토콜을 설계하기 위해.
• 릴레이 지원 전송에서 엄격한 패킷 손실률 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율을 최대화하기 위해.
• 직접 S-D 링크가 장애 상태일 때에만 릴레이를 활성화하는 새로운 릴레이 지원 전송 프로토콜을 개발하기 위해.
• 기존의 ARQ-AMC 및 고정 속도 협업형 ARQ 시스템과의 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• 공동 협업형 ARQ-AMC 시스템의 스펙트럼 효율에 대한 닫힌 형태의 수식을 유도한다.
• 목표 패킷 손실률를 만족시키기 위해 교차 계층 접근법을 사용하여 S-D 및 R-D 링크의 AMC 속도를 최적화한다.
• 직접 S-D 링크가 장애 상태일 때에만 릴레이 링크를 활성화하는 새로운 릴레이 지원 전송 프로토콜을 도입한다.
• 블록화로 인한 장애를 릴레이 협업을 통해 완화하는 LMSC에 공동 AMC-ARQ 설계를 적용한다.
• 수치 분석을 통해 기존의 ARQ-AMC 및 고정 속도 협업형 ARQ 시스템과의 스펙트럼 효율을 비교한다.
• 재전송이 초기 전송에 실패한 경우에만 전송하는 증강 부호를 포함한 절단형 ARQ 프rotocol를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주어진 패킷 손실률 제약 조건 하에서 릴레이 지원 지상 이동 위성 시스템의 스펙트럼 효율을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 협업형 ARQ 프레임워크에서 S-D 및 R-D 링크의 최적의 변조 및 코딩 속도 조절은 무엇인가?
• RQ3 제안된 공동 AMC-ARQ 설계는 기존의 ARQ-AMC 또는 고정 속도 협업형 ARQ에 비해 스펙트럼 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 LMSC에서 릴레이 협업이 장애 확률을 상당히 감소시키는 시나리오는 어떤 경우인가?
• RQ5 협업형 ARQ 시스템에서 채널 상태에 따라 동적으로 변조 및 코딩을 적응시키면 어떤 성능 향상이 달성될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 공동 AMC-ARQ 설계는 기존의 ARQ-AMC 시스템 대비 최대 30% 높은 스펙트럼 효율을 달성한다.
• S-D 및 R-D 링크의 최적화된 AMC 속도는 목표 패킷 손실률 제약 조건을 효과적으로 만족시키면서 스펙트럼 효율을 최대화한다.
• 릴레이 지원 프로토콜은 특히 차단이 빈번한 LMSC 환경에서 S-D 링크 장애 시 신뢰성을 크게 향상시킨다.
• 수치 결과는 공동 설계가 스펙트럼 효율 측면에서 기존의 ARQ-AMC 및 고정 속도 협업형 ARQ를 모두 능가함을 확인한다.
• 닫힌 형태의 스펙트럼 효율 수식은 다양한 채널 조건에서 AMC 파rameter의 효율적 최적화를 가능하게 한다.
• 이 설계는 흐림 및 간헐적인 차단이 빈번한 이동 위성 시스템에서 견고한 성능을 보여준다.