Cross-layer link adaptation for goodput optimization in MIMO BIC-OFDM systems

This work proposes a novel cross-layer link performance prediction (LPP) model and link adaptation (LA) strategy for soft-decoded multiple-input multiple-output (MIMO) bit-interleaved coded orthogonal frequency division multiplexing (BIC-OFDM) systems employing hybrid automatic repeat request (HARQ) protocols. The derived LPP, exploiting the concept of effective signal-to-noise ratio mapping (ESM) to model system performance over frequency-selective channels, does not only account for the actual channel state information at the transmitter and the adoption of practical modulation and coding schemes (MCSs), but also for the effect of the HARQ mechanism with bit-level combining at the receiver. Such method, named aggregated ESM, or αESM for short, exhibits an accurate performance prediction combined with a closed-form solution, enabling a flexible LA strategy, that selects at every protocol round the MCS maximizing the expected goodput (EGP), i.e., the number of correctly received bits per unit of time. The analytical expression of the EGP is derived capitalizing on the αESM and resorting to the renewal theory. Simulation results carried out in realistic wireless scenarios corroborate our theoretical claims and show the performance gain obtained by the proposed αESM-based LA strategy when compared with the best LA algorithms proposed so far for the same kind of systems

Mac-Phy Cross-Layer analysis and design of Mimo-Ofdm Wlans based on fast link adaptation

The latestWLAN standard, known as IEEE 802.11n, has notably increased the network capacity with respect to its predecessors thanks to the incorporation of the multipleinput multiple-output (MIMO) technology. Nonetheless, the new amendment, as its previous ones, does not specify how crucial configuration mechanisms, most notably the adaptive modulation and coding (AMC) algorithm should be implemented. The AMC process has proved essential to fully exploit the system resources in light of varying channel conditions. In this dissertation, a closed-loop AMC technique, referred to as fast link adaption (FLA) algorithm, that effectively selects themodulation and coding scheme (MCS) for multicarriermultiantennaWLAN networks is proposed. The FLA algorithm determines the MCS that maximizes the throughput while satisfying a quality of service (QoS) constraint, usually defined in the form of an objective packet error rate (PER). To this end, FLA uses a packet/bit error rate prediction methodology based on the exponential effective SNRmetric (EESM). The FLA algorithm performance has been evaluated under IEEE 802.11n systems that thanks to the incorporation of a feedbackmechanismare able to implement closed- loop AMC mechanisms. Initially, this AMC technique relies only on physical layer information but it is subsequently extended to also take into account themediumaccess control (MAC) sublayer performance. At the physical layer, the FLA algorithm has demonstrated its effectivity by performing very close to optimality in terms of throughput, while satisfying a prescribed PER constraint. The FLA algorithm has also been evaluated using imperfect channel information. It has been observed that the proposed FLA technique is rather robust against imperfect channel information, and only in highly-frequency selective channels, imperfect channel knowledge causes a noticeable degradation in throughput. At the MAC sublayer, the FLA algorithm has been complemented with a timeout strategy that weighs down the influence of the available channel information as this becomes outdated. This channel information outdate is caused by the MAC sublayer whose user multiplexing policy potentially results in large delays between acquiring the instant in which the channel state information is acquired and that in which the channel is accessed. Results demonstrate the superiority of FLA when compared to open-loop algorithms under saturated and non-saturated conditions and irrespective of the packet length, number of users, protocol (CSMA/CA or CDMA/E2CA) and access scheme (Basic Access or RTS/CTS). Additionally, several analytical models have been developed to estimate the system performance at the MAC sublayer. These models account for all operational details of the IEEE 802.11n MAC sublayer, such as finite number of retries, anomalous slot or channel errors. In particular, a semi-analytical model that assesses the MAC layer throughput under saturated conditions, considering the AMC performance is first introduced. Then, an analytical model that allows the evaluation of the QoS performance under non-saturated conditions is presented. This model focuses on single MCS and it is able to accurately predict very important system performance metrics such as blocking probability, delay, probability of discard or goodput thanks to the consideration of the finite queues on each station. Finally, the previous non-saturated analytical approach is used to define a semi-analytical model in order to estimate the system performance when considering AMC algorithms (i.e. whenmultiple MCSs are available)La darrera versió de l’estàndard deWLAN, anomenada IEEE 802.11n, ha augmentat la seva capacitat notablement en relació als sistemes anteriors gràcies a la incorporació de la tecnologia de múltiples antenes en transmissió i recepció (MIMO). No obstant això, la nova proposta, al igual que les anteriors, segueix sense especificar com s’han d’implementar elsmecanismes de configuraciómés crucials, un dels quals és l’algoritme de codificació imodulació adaptativa (AMC). Aquests algoritmes ja han demostrat la seva importància a l’hora demaximitzar el rendiment del sistema tenint en compte les condicions canviants del canal. En aquesta tesis s’ha proposat un algoritme AMC de llaç tancat, anomenat adaptació ràpida de l’enllaç (FLA), que selecciona eficientment l’esquema demodulació i codificació adaptativa per xarxes WLAN basades en arquitectures multiportadora multiantena. L’algoritme FLA determina el mode de transmissió capaç de maximitzar el throughput per les condicions de canal actuals, mentre satisfà un requisit de qualitat de servei en forma de taxa d’error per paquet (PER). FLA utilitza una metodologia de predicció de PER basada en l’estimació de la relació senyal renou (SNR) efectiva exponencial (EESM). El rendiment de l’algoritme FLA ha estat avaluat en sistemes IEEE 802.11n, ja que aquests, gràcies a la incorporació d’unmecanisme de realimentació demodes de transmissió, poden adoptar solucions AMC de llaç tancat. En una primera part, l’estudi s’ha centrat a la capa física i després s’ha estès a la subcapa MAC. A la capa física s’ha demostrat l’efectivitat de l’algoritme FLA aconseguint un rendiment molt proper al que ens proporcionaria un esquema AMC òptim en termes de throughput, alhora que es satisfan els requisits de PER objectiu. L’algoritme FLA també ha estat avaluat utilitzant informació imperfecte del canal. S’ha vist que l’algoritme FLA proposat és robust en front dels efectes d’estimació imperfecte del canal, i només en canals altament selectius en freqüència, la informació imperfecte del canal provoca una davallada en el rendiment en termes de throughput. A la subcapa MAC, l’algoritme FLA ha estat complementat amb una estratègia de temps d’espera que disminueix la dependència amb la informació de canal disponible a mesura que aquesta va quedant desfassada respecte de l’estat actual. Aquesta informació de canal desfassada és conseqüència de la subcapa MAC que degut a la multiplexació d’usuaris introdueix grans retards entre que es determina el mode de transmissió més adequat i la seva utilització per a l’accés al canal. Els resultats obtinguts han demostrat la superioritat de FLA respecte d’altres algoritmes de llaç obert en condicions de saturació i de no saturació, i independentment de la longitud de paquet, nombre d’usuaris, protocol (CSMA/CA i CSMA/E2CA) i esquema d’accés (Basic Access i RTS/CTS). Amés, s’han desenvolupat diversosmodels analítics per tal d’estimar el rendiment del sistema a la subcapa MAC. Aquests models consideren tots els detalls de funcionament de la subcapaMAC del 802.11n, comper exemple un nombre finit de retransmissions de cada paquet, l’slot anòmal o els errors introduïts pel canal. Inicialment s’ha proposat unmodel semi-analític que determina el throughtput en condicions de saturació, considerant el rendiment dels algoritmes AMC. Després s’ha presentat un model analític que estima el rendiment del sistema per condicions de no saturació, mitjançat elmodelat de cues finites a cada estació. Aquestmodel consideramodes de transmissió fixes i és capaç de determinar de manera molt precisa mètriques de rendimentmolt importants comsón la probabilitat de bloqueig de cada estació, el retard mitjà del paquets, la probabilitat de descart o la mesura del goodput. Finalment, el model analític de no saturació s’ha utilitzat per definir un model semi-analític per tal d’estimar el rendiment del sistema quan es considera l’ús d’algoritmes AMC

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Link level performance evaluation and link abstraction for LTE/LTE-advanced downlink

Els objectius principals d'aquesta tesis són l'avaluació del rendiment a nivell d'enllaç i l'estudi de l'abstracció de l'enllaç pel LTE/LTE-Advanced DL. S’ha desenvolupat un simulador del nivell d'enllaç E-UTRA DL basat en la tecnologia MIMO-OFDM. Es simulen els errors d'estimació de canal amb un model d'error de soroll additiu Gaussià anomenat CEEM. El resultat d'aquest simulador serveix per avaluar el rendiment a nivell d'enllaç del LTE/LTE-Advanced DL en diferents entorns . La idea bàsica dels mètodes d'abstracció de l'enllaç és mapejar el vector de SNRs de les subportadores a un valor escalar, l'anomenada ESNR, la qual és usada per a predir la BLER. Proposem un innovador mètode d'abstracció de l'enllaç que pot predir la BLER amb bona precisió en esvaïments multicamí i que inclouen els efectes de les retransmissions HARQ. El mètode proposat es basa amb l'estimació de la informació mútua entre els bits transmesos i els LLRs rebuts.The main objectives of this dissertation are the evaluation of the link level performance and the study of link abstraction for LTE/LTE-Advanced DL. An E-UTRA DL link level simulator has been developed based on MIMO-OFDM technology. We simulate channel estimation errors by a Gaussian additive noise error model called CEEM. The result of this simulator serves to evaluate the MIMO-OFDM LTE/LTE-Advanced DL link level performance in different environments. The basic idea of link abstraction methods is to map the vector of the subcarrier SNRs to a single scalar, the ESNR, which is then used to predict the BLER. We propose a novel link abstraction method that can predict the BLER with good accuracy in multipath fading and including the effects of HARQ retransmissions. The proposed method is based on estimating the mutual information between the transmitted bits and the received LLRs.Postprint (published version

IST-2000-30148 I-METRA: D3.1 Design, analysis and selection of suitable algorithms

This deliverable contains a description of the space-time coding algorithms to be simulated within the I-METRA project. Different families of algorithms have been selected and described in this document with the objective of evaluating their performance. One of the main objectives of the I-METRA project is to impact into the current standardisation efforts related to the introduction of Multiple Input Multiple Output (MIMO) configurations into the High Speed Downlink and Uplink Packet Access concepts of UMTS (HSDPA and HSUPA). This required a review of the current specifications for these systems and the analysis of the impact of the potential incorporation of the selected MIMO schemes.Preprin

Measurement and Optimization of LTE Performance

4G Long Term Evolution (LTE) mobile system is the fourth generation communication system adopted worldwide to provide high-speed data connections and high-quality voice calls. Given the recent deployment by mobile service providers, unlike GSM and UMTS, LTE can be still considered to be in its early stages and therefore many topics still raise great interest among the international scientific research community: network performance assessment, network optimization, selective scheduling, interference management and coexistence with other communication systems in the unlicensed band, methods to evaluate human exposure to electromagnetic radiation are, as a matter of fact, still open issues. In this work techniques adopted to increase LTE radio performances are investigated. One of the most wide-spread solutions proposed by the standard is to implement MIMO techniques and within a few years, to overcome the scarcity of spectrum, LTE network operators will offload data traffic by accessing the unlicensed 5 GHz frequency. Our Research deals with an evaluation of 3GPP standard in a real test best scenario to evaluate network behavior and performance