[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种在中继网络中联合设计自适应调制与编码（AMC）和协作ARQ的方案，特别针对陆地移动卫星通信（LMSC）。通过在包丢失率约束下优化源-目的地和中继-目的地链路的AMC速率，该方案通过动态链路自适应和中继的链路中断恢复，实现了显著的频谱效率增益——相比传统的ARQ-AMC或固定速率协作ARQ，频谱效率最高可提升30%。

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.

研究动机与目标

• 解决由于快衰落和遮挡导致陆地移动卫星通信（LMSC）中频谱效率受限的问题。
• 设计一种跨层协议，将物理层和数据链路层的自适应调制与编码（AMC）与协作自动重传请求（ARQ）相结合。
• 在中继辅助传输中，在严格的包丢失率约束下最大化频谱效率。
• 开发一种新型中继辅助传输协议，仅在直接S-D链路处于中断状态时才激活中继链路。
• 评估该方案相对于传统ARQ-AMC和固定速率协作ARQ方案的性能增益。

提出的方法

• 推导了联合协作ARQ-AMC方案的频谱效率的闭式表达式。
• 采用跨层方法优化S-D和R-D链路的AMC速率，以满足目标包丢失率。
• 提出一种新型中继辅助传输协议，仅在直接S-D链路处于中断状态时才激活中继链路。
• 将联合AMC-ARQ设计应用于LMSC，通过中继协作缓解遮挡引起的中断。
• 通过数值分析对比该方案与传统ARQ-AMC和固定速率协作ARQ系统的频谱效率。
• 采用截断ARQ协议并引入增量冗余，仅在初始传输失败时才发送重传。

实验结果

研究问题

• RQ1 在给定的包丢失率约束下，如何在中继辅助的陆地移动卫星系统中最大化频谱效率？
• RQ2 在协作ARQ框架下，S-D和R-D链路的调制与编码速率的最优联合自适应策略是什么？
• RQ3 所提出的联合AMC-ARQ方案相比传统ARQ-AMC或固定速率协作ARQ在频谱效率方面有何提升？
• RQ4 在何种场景下，中继协作能显著降低LMSC中的中断概率？
• RQ5 在协作ARQ系统中，基于信道条件动态调整调制与编码能带来多大的性能增益？

主要发现

• 所提出的联合AMC-ARQ方案相比传统ARQ-AMC系统，频谱效率最高可提升30%。
• 对S-D和R-D链路优化后的AMC速率能有效满足预设的包丢失率约束，同时最大化频谱效率。
• 中继辅助协议在S-D链路中断期间显著提升了可靠性，尤其在易受遮挡的LMSC环境中。
• 数值结果证实，该联合设计在频谱效率方面优于传统ARQ-AMC和固定速率协作ARQ。
• 闭式频谱效率表达式使得在不同信道条件下高效优化AMC参数成为可能。
• 该方案在快衰落和间歇性遮挡条件下表现出鲁棒性能，这在移动卫星系统中是典型特征。