Cross-Layer Design for Quality of Service provisioning in AMC/ARQ-based wireless networks

No hi ha cap dubte que en els darrers anys els serveis i les aplicacions en entorns de comunicacions sense fils han experimentat un desenvolupament sense precedents. Les demandes creixents en termes de taxa de transmissio i de mobilitat per part dels usuaris s’han d’afegir a la heterogeneitat dels requeriments de qualitat de servei (QoS, de l’angles Quality of Service) de les aplicacions. A tot aixo s’hi ha de sumar l’efecte dels esvaiments selectius, tant en temps com en frequencia, intrinsecs als canals sense fils. Aleshores, el desenvolupament d’aquest tipus de sistemes representa un vertader repte a l’hora de dissenyar solucions capaces de suportar les exigencies de QoS, com per exemple taxa maxima d’error de paquet o be retard maxim, tant per a les aplicacions mobils actuals com per a les futures. S’ha desenvolupat un gran nombre d’estrategies amb l’objectiu de fer front a l’impacte dels esvaiments sobre les prestacions d’aquests sistemes i aconseguir aixi millorar l’eficiencia espectral i/o energetica de la capa fisica. Entre elles es poden destacar els esquemes de modulacio i codificacio adaptativa (AMC, de l’angles Adaptive Modulation and Coding). La immensa majoria dels actuals estandards de comunicacions sense fils han adoptat aquesta tecnica, que consisteix basicament en ajustar la modulacio i la codificacio a les condicions canviants del canal. Per altra banda, els requeriments de QoS de les noves aplicacions tan sols es poden satisfer amb l’ajut d’esquemes que permeten millorar la fiabilitat de l’enllac. Aixi, l’us d’estrategies de control d’errors a la capa d’enllac de dades (DLC, de l’angles Data Link Control) s’ha convertit en una part fonamental dels sistemes de comunicacions actuals. Les tecniques de control d’errors es poden classificar basicament en dues categories. La primera la formen els esquemes que permeten la deteccio i possible correccio d’errors (FEC, de l’angles Forward Error Correction), mentre que la segona categoria correspon als esquemes que possibiliten la deteccio d’errors i la sol·licitud de retransmissio (ARQ, de l’angles Automatic Repeat Request). En aquest cas, quan un paquet es rebut amb errors, es va demanant la seva retransmissio fins que es rep correctament (persistencia infinita) o be fins que se supera el maxim nombre permes de retransmissions (truncat). La majoria dels estandards de comunicacions sense fils moderns utilitzen combinacions dels esquemes FEC i ARQ per tal de gaudir dels avantatges d’ambdues estrategies. S’ha d’afegir, a mes, que existeixen multitud de propostes recents en que es disposa d’un o varis nodes intermediaris entre la font i el desti, anomenats repetidors (en angles relays), que assisteixen la comunicacio. S’aconsegueix aixi millorar l’efectivitat de la transmissio explotant la diversitat espacial resultant de la incorporacio de camins addicionals de comunicacio entre la font i el desti. D’acord amb la filosofia del disseny intercapes (en angles cross-layer), en contraposicio a l’optimitzacio local a cada capa de la pila de protocols, es du a terme una optimitzacio conjunta de determinats parametres corresponents a distintes capes, amb la finalitat de millorar les prestacions del sistema en la seva globalitat. En contret, en els darrers temps han aparegut un gran nombre de propostes de dissenys intercapes que combinen la utilitzacio d’esquemes AMC a la capa fisica amb l’us de protocols ARQ a la capa d’enllac de dades. Aquests dissenys aconsegueixen millorar l’eficiencia espectral traient profit de manera conjunta de l’adaptabilitat d’AMC a les condicions canviants del canal sense fils i de la capacitat detectora/correctora d’errors d’ARQ. En aquest treball de recerca es desenvolupa un marc teoric per al disseny, l’analisi i l’optimitzacio intercapes de sistemes sense fils que combinen esquemes AMC amb protocols ARQ. Aquesta proposta es basa en la utilitzacio de cadenes discretes de Markov (DTMC, de l’angles Discrete Time Markov Chain) per descriure de manera conjunta el comportament estadistic del proces d’arribades de paquets, el sistema de cues i la capa fisica. Per aixo, en primer lloc es desenvolupa un model de Markov bidimensional de primer ordre de la capa fisica que te en compte les caracteristiques del canal sense fils i l’esquema AMC. Aquest es un pilar fonamental pel desenvolupament del present treball de recerca, ja que disposar d’un model capac de capturar amb precisio el comportament de la capa fisica es un requisit indispensable per a garantir una analisi correcta dels parametres de QoS a la capa d’enllac de dades. En base a aquest model, s’investiguen les interaccions entre aquestes dues capes quan s’implementen protocols ARQ, ja sigui amb persistencia infinita o truncats. A mes, es proposa un esquema cooperatiu en que un node repetidor es l’encarregat de dur a terme les retransmissions dels paquets que la font no aconsegueix transmetre correctament al desti. A partir de la modelitzacio basada en DTMCs es poden obtenir les expressions analitiques dels parametres que caracteritzen el comportament de les prestacions del sistema, com son la taxa efectiva de transmissio de paquets (en angles throughput), el retard mitja i la taxa mitjana de perdua de paquets, ja sigui per desbordament de les cues o be per superar el nombre maxim permes de retransmissions. Amb el proposit de comparar aquesta metodologia amb eines analitiques no basades en l’us de cadenes de Markov, el cas d’ARQ amb persistencia infinita s’analitza tambe aplicant la teoria d’amplada de banda i capacitat efectives. Ambdues analisis son detalladament contrastades, confirmant la superioritat del primer metode quant a fidelitat en l’estimacio del comportament del sistema real, a costa d’un increment en la complexitat de l’analisi. El model analitic proposat es utilitzat per a desenvolupar distintes estrategies de disseny intercapes amb l’objectiu de proporcionar garanties de QoS en termes de retard maxim i taxa maxima de perdua de paquets. Per acabar, s’investiguen els efectes que te el retard en l’estimacio de l’estat del canal sobre els parametres de QoS del sistema.