UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE CROSS-LAYER COOPERATIVE TECHNIQUES FOR WIRELESS NETWORKS

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE FACOLTÀ DI INGEGNERIA Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica ed Informatica Tesi di Laurea in TRASMISSIONE NUMERICA CROSS-LAYER COOPERATIVE TECHNIQUES FOR WIRELESS NETWORKS Laureando : Alessandro CRISMANI Relatore : Chiar.mo Prof. Fulvio BABICH Anno Accademico

2 Contenuti della presentazione Diversità e cooperazione Il canale radiomobile Il concetto di diversità Diversità attraverso cooperazione Codifica di canale distribuita Codici di Parità Low Density Parity Check Codes Risultati ottenuti Protocolli di accesso multiplo cooperativi Descrizione dello scenario analizzato Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 2 / 39

3 Diversità e cooperazione Contenuti della presentazione Diversità e cooperazione Il canale radiomobile Il concetto di diversità Diversità attraverso cooperazione Codifica di canale distribuita Codici di Parità Low Density Parity Check Codes Risultati ottenuti Protocolli di accesso multiplo cooperativi Descrizione dello scenario analizzato Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 3 / 39

4 Diversità e cooperazione Il canale radiomobile Propagazione in un canale radiomobile La propagazione in un canale radiomobile è caratterizzata da Fading Causato dalla ricezione per percorsi multipli Provoca fluttuazioni rapide del segnale ricevuto Shadowing Causato da ostacoli nel percorso di propagazione Provoca un pesante affievolimento del segnale ricevuto Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 4 / 39

5 Diversità e cooperazione Il canale radiomobile Prestazioni su un canale radiomobile Fading e shadowing hanno un effetto negativo sulle prestazioni BER of a BPSK modulated signal with no coding over AWGN and Rayleigh fading channels BER AWGN channel Rayleigh fading channel E av/n 0[dB] Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 5 / 39

6 Diversità e cooperazione Il concetto di diversità Diversità Un rimedio contro il fading è dato dalla diversità. Il ricevitore dispone di L repliche indipendenti dello stesso segnale. Le repliche possono essere ottenute tramite: Diversità d antenna Diversità di polarizzazione Diversità di frequenza Diversità di tempo Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 6 / 39

7 Diversità e cooperazione Il concetto di diversità Le L repliche mitigano il fading Prestazioni diversità 10 0 BER vs E av / N 0 for an AWGN channel and a Rayleigh channel with no diversity and diversity of order L 10 1 No Diversity 10 2 L = 2 BER AWGN L = 3 L = L = 10 L = Eav/N0[dB] Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 7 / 39

8 Diversità e cooperazione Il concetto di diversità Multiple-Input Multiple-Output Più di una antenna al trasmettitore e al ricevitore Vantaggi: Guadagno di diversità Crescita del throughput Possibilità di un uso intelligente delle antenne Svantaggi: Complessità del ricevitore Spazio richiesto dalle antenne Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 8 / 39

9 Diversità e cooperazione Diversità attraverso cooperazione Sistemi cooperativi Utilizzano relays ottenendo un array virtuale di antenne Diversità spaziale Terminali ad antenna singola R 1 R 2 Terminali semplici S... D Nessun limite pratico dovuto all ingombro delle antenne R L Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 9 / 39

10 Codifica di canale distribuita Contenuti della presentazione Diversità e cooperazione Il canale radiomobile Il concetto di diversità Diversità attraverso cooperazione Codifica di canale distribuita Codici di Parità Low Density Parity Check Codes Risultati ottenuti Protocolli di accesso multiplo cooperativi Descrizione dello scenario analizzato Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 10 / 39

11 Codifica di canale distribuita Tecniche di cooperazione Un relay può inoltrare dati in tre modi: Amplify-and-Forward Inoltra una versione amplificata del segnale ricevuto Amplifica anche il rumore Decode-and-Forward Decodifica il segnale ricevuto, lo rigenera e lo reinvia Non amplifica il rumore Può propagare errori Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 11 / 39

12 Codifica di canale distribuita Tecniche di cooperazione Coded Cooperation Decodifica il segnale ricevuto ed invia una versione diversa Può aggiungere una nuova ridondanza o utilizzare un altro livello di codifica Incorpora tecniche di FEC in modo distribuito Codificatori della stazione sorgente e del relay progettati congiuntamente Prestazioni superiori agli altri due schemi Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 12 / 39

13 Codifica di canale distribuita Codici di Parità Codici di parità Dispongono i bit di informazione in una matrice Colonne di parità calcolate su matrici ottenute da interleaving dei dati Information First Parity Second Parity Bits π Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 13 / 39

14 Codifica di canale distribuita Codici di Parità Codici di parità distribuiti Progetto congiunto di sorgente, relay e destinatario Sorgente e relay trasmettono diverse colonne di parità Il destinatario utilizza entrambe le parità PC SPC PC decoder Info bits P1 Parity cols Source Station Info bits P2 Parity cols PC SPC PC decoder Info bits P1 Parity cols PC SPC PC encoder Relay Station Info bits P1 Parity cols P2 Parity cols PS SPC PC encoder Destination station Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 14 / 39

15 Codifica di canale distribuita Low Density Parity Check Codes Low Density Parity Check Codes Codici per la correzione d errore con ottime prestazioni su canale AWGN BER pari a 10 5 a soli 0.04 db dal limite di Shannon Struttura specificata da una matrice di parità Decodifica iterativa su grafi Algoritmi parallelizzabili Possibilità di stabilire se la parola decodificata appartiene al codice Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 15 / 39

16 Codifica di canale distribuita Low Density Parity Check Codes Codici Low Density Parity Check Distribuiti Un codice con tasso 0.33 è usato da sorgente e relay Vengono utilizzati due diversi pattern di perforazione La sorgente perfora ottenendo un tasso 0.4 Il relay ritrasmette un codice con tasso 0.66 Source LDPC Depuncturer decoder Source LDPC Relay Station encoder Puncturer Relay LDPC Source Relay Station Depuncturer LDPC encoder Puncturer Source decoder Depuncturer Destination station Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 16 / 39

17 Codifica di canale distribuita Low Density Parity Check Codes Codici Low Density Parity Check Viene trasmesso lo stesso numero di bit di uno schema Decode-and-Forward con un codice con tasso 0.5, ma il destinatario dispone di un codice con tasso 0.33 Avere un codice di tasso inferiore al destinatario fornisce prestazioni migliori del Decode-and-Forward Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 17 / 39

18 Codifica di canale distribuita Risultati ottenuti Scenario e stato dell arte Disposizione dei terminali e propagazione Relay posto a metà strada tra sorgente e destinatario Fast fading di Rayleigh a campioni non correlati Stato dell arte in letteratura Distributed SElf-Concatenated Convolutional Codes (DSECCC) Decodifica con probabilità d errore inferiore a 10 5 per un rapporto segnale rumore pari ad E av /N 0 = 3.5 db Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 18 / 39

19 Codifica di canale distribuita Risultati ottenuti Codici di parità BER vs E av / N 0 plot for a distributed PC SPC PC and a second order diversity scheme employing a PC SPC PC 10 0 Distributed PC SPC PC 10 1 Second order diversity scheme BER Eav/N0[dB] Prestazioni migliori dello schema di diversità Decode-and-Forward 1.8 db peggio dei DSEEEC, ma con complessità inferiore Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 19 / 39

20 Codifica di canale distribuita Risultati ottenuti Codici LDPC BER vs E av / N 0 plot for the proposed distributed LDPC code and for a second order diversity scheme employing a LDPC code Distributed LDPC Second order diversity scheme BER E av / N 0 [db] Prestazioni migliori dello schema di diversità Decode-and-Forward 0.8 db meglio dei DSEEEC, con complessità inferiore Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 20 / 39

21 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Contenuti della presentazione Diversità e cooperazione Il canale radiomobile Il concetto di diversità Diversità attraverso cooperazione Codifica di canale distribuita Codici di Parità Low Density Parity Check Codes Risultati ottenuti Protocolli di accesso multiplo cooperativi Descrizione dello scenario analizzato Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 21 / 39

22 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Descrizione dello scenario analizzato Disposizione stazioni e propagazione Viene considerata una rete Stazioni disposte su un cerchio, AP nel mezzo (raggio normalizzato R = 1 m) Codifica di canale: Codici di parità Canale caratterizzato da slow Rayleigh fading Fading costante durante la trasmissione di un pacchetto Sistema di modulazione adattato alla condizione istantanea del canale Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 22 / 39

23 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Descrizione dello scenario analizzato Il protocollo CoopMAC Migliora lo standard introducendo l aiuto di relays Usa un relay se il trasferimento dati è più veloce oppure per evitare situazioni di outage Il relay risponde con un frame Helper-ready-To-Send (HTS) al Ready-To-Send (RTS) Relay Station 16QAM - T S,R = 2250µs 64QAM - T R,D = 1500µs Source Station BPSK - T S,D = 9000µs Destination Station (AP) R = 1 Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 23 / 39

24 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Limiti di CoopMAC Considera solo il segnale proveniente dal relay Tempo speso per propagare il segnale al relay Un approccio Corss-Layer consente di superare tali limiti Tecniche cooperative del livello fisico introdotte a livello MAC Nuovo algoritmo di scelta della modulazione Nuovo schema di inoltro con due relays Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 24 / 39

25 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Decodifica congiunta al destinatario Il destinatario decodifica congiuntamente i segnali ricevuti da sorgente e destinatario Guadagno di diversità Relay Station Migliori prestazioni Used by Legacy CoopMAC Source Station Used by signal combining aided CoopMAC R = 1 Destination Station (AP) Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 25 / 39

26 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Modulazione con decodifica congiunta Cambia SNR richiesto tra relay e destinatario data una BER target Necessario un nuovo algoritmo di scelta della modulazione La j ma modulazione è scelta se SNR r,d > T lin j = T j ( 1 SNR s,d T j è la soglia per la j ma modulazione senza decodifica congiunta SNR s,d (SNR r,d ) è la qualità istantanea del canale tra sorgente e destinatario (relay e destinatario) Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 26 / 39 T i )

27 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Scelta della modulazione Risultati con codici di parità e LDPC per giustificare l algoritmo 3.5 SNR required when combining a ASPK modulated signal with a QPSK replica SNRr,d SNR required when combining a 16QAM modulated signal with a BPSK replica Linear interpolation Simulation result SNRs,d (a) Codici di parità SNRr,d Linear interpolation Simulation result SNRs,d (b) Codici LDPC Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 27 / 39

28 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Inoltro successivo Il protocollo CoopMAC spreca tempo per far giungere l informazione al relay Perdita da multiplexing, diminuisce il throughput Modifiche al livello fisico riducono tale perdita Vengono utilizzati due relays e M + 1 fasi Il pacchetto è diviso in M parti, ciascuna trasmessa in una fase Un relay ascolta la trasmissione della sorgente, l altro inoltra la parte ricevuta in precedenza Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 28 / 39

29 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Inoltro successivo r1 r1 r1 Phase 1 P1 Phase 2 Phase 3 P1 P1 P3 s P1 d s P2 d s P3 d P2 P2 P2 r2 r2 r2 Relays e destinatario distinguono i due segnali ricevuti in ogni fase con un algoritmo di cancellazione di interferenza Una cancellazione perfetta è ipotizzata nel lavoro svolto Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 29 / 39

30 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Inoltro successivo La sorgente indica nel RTS i relays utilizzati, i quali rispondono con due HTS Source Destination Relay 1 DIFS RTS SIFS HTS SIFS CTS SIFS P1 P2 P3 P4 P1 P1 P3 P3... PM Idle... PM 1 Idle SIFS ACK t t t Relay 2 SIFS HTS Idle P2 P2... P4 PM PM t Other stations Network allocator vector (RTS) Network allocator vector (CTS) DIFS Contention t Figura: In rosso le parti di pacchetto inviate, in bianco quelle ricevute Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 30 / 39

31 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Risultati ottenuti Simulatore Costruito un simulatore in C++ con l aiuto delle librerie IT++ Ogni stazione è una macchina a stati Segue il modello MAC dello standard Controlla il proprio stato ogni inizio slot (tempo discreto) Packet Generated Waiting for a new packet First attempt to transmit Unsuccessful tx and max retry reached Successful tx Channel free for a DIFS time Channel Busy Channel free for a DIFS time / decrease backoff counter Backoff Transmit Backoff elapsed Channel free for a DIFS time Retry Transmission Unsuccessful tx Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 31 / 39

32 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Risultati ottenuti Simulatore Lo stato in cui avviene la trasmissione è il cuore del simulatore Integra nel MAC la scelta della modulazione e l inoltro successivo Simulazioni bit per bit per ottenere risultati accurati Simulazioni variando il rapporto segnale rumore medio SNR per R = 1 m Il rapporto segnale rumore medio per una distanza d a,b è ottenuto come SNR a,b = SNR d α a,b Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 32 / 39

33 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Risultati ottenuti Confronto del throughput per i vari protocolli Mean achievable troughput for legacy DCF and Cooperative MAC protocols with a fixed SNRdB = 5 db DCF Legacy CoopMAC Signal combining aided CoopMAC Successive CoopMAC without combining Successive CoopMAC with combining Throughput (Mbit / s) Number of stations L aiuto di un relay migliora il throughput Ulteriore incremento con decodifica congiunta Prestazioni migliori ottenute tramite inoltro successivo Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 33 / 39

34 Protocolli di accesso multiplo cooperativi Risultati ottenuti Probabilità di outage per i vari protocolli Outage probability for legacy DCF and Cooperative MAC protocols with a fixed SNRdB = 0 db 0.8 Outage probability DCF Legacy CoopMAC Signal combining aided CoopMAC DCF theoretical analysis Legacy CoopMAC theoretical analysis Combining CoopMAC theoretical analysis Number of stations L aiuto di un relay riduce l outage Ulteriore riduzione con il nuovo algoritmo adattativo L inoltro successivo non influenza l outage Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 34 / 39

35 Conclusioni e sviluppi futuri Contenuti della presentazione Diversità e cooperazione Il canale radiomobile Il concetto di diversità Diversità attraverso cooperazione Codifica di canale distribuita Codici di Parità Low Density Parity Check Codes Risultati ottenuti Protocolli di accesso multiplo cooperativi Descrizione dello scenario analizzato Progetto Cross-Layer di protocolli di accesso multiplo Risultati ottenuti Conclusioni e sviluppi futuri Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 35 / 39

36 Conclusioni e sviluppi futuri Conclusioni Nuovi algoritmi di codifica distribuita sono stati sviluppati in questo lavoro L utilizzo di tecniche di Coded Cooperation fornisce vantaggi rispetto a semplici schemi di diversità I codici di parità sono di poco inferiori allo stato dell arte I codici LDPC offrono prestazioni superiori ai DSECCC proposti fin ora Entrambi gli schemi proposti richiedono richiedono basse risorse computazionali Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 36 / 39

37 Conclusioni e sviluppi futuri Conclusioni È stato proposto un progetto Cross-Layer per protocolli cooperativi di accesso multiplo Un nuovo algoritmo di scelta della modulazione sfrutta in modo efficace i segnali provenienti dalla sorgente e dal relay Una tecnica di inoltro successivo permette di ridurre la perdita di multiplexing avuta con un singolo relay I nuovi algoritmi proposti migliorano le prestazioni della rete Offrono un throuput più elevato Riducono la probabilità di outage Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 37 / 39

38 Conclusioni e sviluppi futuri Sviluppi futuri Il principale fattore di degrado della codifica distribuita è la propagazione degli errori Analisi approfondita degli effetti di un relay imperfetto Decodifica al destinatario tenendo conto di possibili errori Eventuale livello aggiuntivo di codifica al relay per mitigare l effetto degli errori L obiettivo è ottenere prestazioni più vicine alla capacità del link cooperativo Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 38 / 39

39 Conclusioni e sviluppi futuri Sviluppi futuri Scenari più realistici per i protocolli di accesso multiplo Stato del canale non noto al relay Modulazioni adattate al canale stimato in precedenza Differenti modelli di canale (fast fading, fading correlato nella trasmissione di più pacchetti) Nuovi algoritmi adattativi per integrare la codifica distribuita a livello MAC Integrazione dei protocolli in un simulatore di reti (ns-2) Studio di tecniche cooperative in combinazione con altre soluzioni MIMO (ad esempio smart antennas) Alessandro Crismani Cross-Layer Cooperative Techniques for Wireless Networks 39 / 39