evaluation of new link adaptation techniques for mobile...

Evaluation of New Link Adaptation Techniques for MobileSatellite Channels

Anxo Tato Arias

anxotato@gts.uvigo.es

Titor: Carlos Mosquera Nartallo

02 outubro de 2015

1 / 24

Contidos

1 IntroduciónObxectivos

2 Compoñente satélite das IMT-2000

3 Estándar S-UMTS familia SL

4 Modelo de canle

5 Adaptación de enlace S-UMTSAlgoritmo robusto para o enlace directoEnlace de retorno (canle multi-estado)FerramentasInformed outage capacity

6 Conclusións e liñas futuras

2 / 24

Introdución Obxectivos

Obxectivos do proxecto

Estudar a familia SL do estándar S-UMTS.Analizar a canle LMS (Satélite Móbil Terrestre).Implementar en Matlab o modelo de canle LMS multi-estado.Modificar o algoritmo do enlace de retorno e adaptalo para operar noenlace directo.Validar o correcto funcionamento dos algoritmos na canle LMS.

3 / 24

Introdución Obxectivos

BGAN: sistema comercial S-UMTS

Spectrum is the lifeblood of communication systemsEficiencia espectral (bit/s/Hz)

Cobertura sistema comercial BGAN (Inmarsat)

Parámetros:Frecuencia: banda L ∼ 1600 MHzAncho de banda: ↓41 MHz, ↑41 MHz

4 / 24

Compoñente satélite das IMT-2000

Arquitectura IMT-2000

Interfaces Radio Satélite (SRI)SRI-A, SRI-B, SRI-C, SRI-E, SRI-F, SRI-G, SRI-H

5 / 24

Estándar S-UMTS familia SL

Pila de protocolos

6 / 24

Estándar S-UMTS familia SL

Capa física: PHY

Taxas binarias: 3 - 850 kbpsTipos de portadoras (Bearers)

Modulación: 64-QAM, 32-QAM, 16-QAM, QPSK, π/4 QPSKTaxa de símbolo: 8.4 - 168 kbaudDuración: 5 ms, 20 ms, 80 ms

Subtipos de portadorasTaxa de codificación do turbo-codificador: 0.33 - 0.90

Data in

Buffer

Interleaver

SRCC

SRCC

p

d

q

nc

I1

Q1

I0

Q0

Variable Puncturing

7 / 24

Modelo de canle

Modelo de canle de Fontán

fR (r) =r

σ2r σln√2π

∫ ∞0

1aexp[−(ln a− µ)2

2σ2ln− (r2 + a2)

2σ2r

]I0

(ra

σ2r

)da

(1)

8 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Algoritmo robusto para o enlace directo

Escenario

Alberto Rico-Alvariño, Anxo Tato, Carlos Mosquera.

Robust Adaptive Coding and Modulation Scheme for the Mobile Satellite Forward Link. In

Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC), 2015 IEEE 16th

International Workshop on, pages 530–534, June 2015.

9 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Algoritmo robusto para o enlace directo

Exposición do problema

algoritmo de adaptación de enlace

feedback

MODCOD da trama i Obxectivo:Maximizar a eficiencia espectral Restrición:

10 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Algoritmo robusto para o enlace directo

Matemáticas...

Adaptación da marxe ci :Selección do MODCOD:

mi = Π(snri−d + ci ) (2)

Problema de optimización:

mincJ(c) = minc |E[ε]− p0|2 (3)

Descenso por gradiente:

ci+1 = ci − µi∂J

∂c(ci ) (4)

Esquema de adaptación:

ci+1 = ci − µ (εi−d − p0) (5)

11 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Algoritmo robusto para o enlace directo

Matemáticas... (2)

Adaptación da marxe ci e peso da SNR ξi :Selección do MODCOD:

mi = Π(ξi · snri−d + ci ) (6)

Esquema de adaptación:

ξi+1 = ξi − µ · (εi−d − p0) · snri−2d

12 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Algoritmo robusto para o enlace directo

Resultados (1)

Evolución da marxe e a FER acumulada

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

−3

−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

Frame index

Ma

rgin

ci

6 km/h

25 km/h

50 km/h

120 km/h

(a) Marxe

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

FE

R

Frame index

6 km/h

25 km/h

50 km/h

120 km/h

(b) FER acumulada

Figura: Contorna suburbana, FER obxectivo de 0.01 e LOS SNR de 6 dB

13 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Algoritmo robusto para o enlace directo

Resultados (2)

Eficiencia espectral e FER

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Spectral

Efficiency

(b/s/H

z)

LOS SNR (dB)

Ideal Throughput

Fixed margin

Adaptive margin

Adaptive margin and weight)

(a) Eficiencia espectral

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

FER

LOS SNR (dB)

Fixed margin

Adaptive margin

Adaptive margin and weight

(b) FER

Figura: Contorna urbana, velocidade 5 km/h, FER obxectivo de 0.001.

14 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Enlace de retorno (canle multi-estado)

Selección do MODCOD

15 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Enlace de retorno (canle multi-estado)

Resultados canle multi-estado

0 5 10 15 20 250.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Spectral

Efficiency

(b/s/H

z)

LOS SNR (dB)

DualOpen

ClosedARF-M

(a) Eficiencia espectral

0 5 10 15 20 250

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

FER

LOS SNR (dB)

DualOpenClosedARF-M

(b) FER

Figura: I-tree 60 km/h

16 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Ferramentas

Adaptación de enlace no dominio temporal

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450−7

−6

−5

−4

−3

−2

−1

0

Mar

gin

channel MI rate allowed

rate of the used MCS

errors

successful transmissions

errors provoke margindecreases rapidily

ACKs provoke margin increases slowly

17 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Informed outage capacity

Informed outage capacity

Cout,ρ̂ = log2(1 + ρout) (7)

−6 −4 −2 0 2 4 6 8 100

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7PDF channelPDF channel | CSI = 6dB, α = 0.5PDF channel | CSI 6 dB, α = 0.95

18 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Informed outage capacity

Resultados (1)

10−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

100

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

Outage probability

Ou

tag

e c

ap

acity (

bit/s

/Hz)

Outage capacity for LOS SNR of 5 dB

α = 0

α = 0.28

α = 0.5

α = 0.7

α = 0.9

α = 0.99

α = 0.999

(a)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

Correlation αO

uta

ge

ca

pa

city (

bit/s

/Hz)

Outage capacity for LOS SNR of 5 dB

p0 = 1E−4

p0 = 1E−3

p0 = 1E−2

p0 = 1E−1

(b)

19 / 24

Adaptación de enlace S-UMTS Informed outage capacity

Resultados (2)

0 2 4 6 8 100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Spectral

Efficiency

(b/s/H

z)

LOS SNR (dB)

Genie−aided efficiency

Constrained outage capacity

Fixed margin

Adaptive margin

Adaptive margin and weight

Eficiencia espectral = 97% Informed Outage Capacity

20 / 24

Conclusións e liñas futuras

ConclusiónsMoi bos resultados coa canle multi-estado do algoritmo dual quebalancea as dúas SNRs.O algoritmo para o enlace directo amosa un bo comportamento entermos de FER.O algoritmo para o enlace directo acada o 97 % da informed outagecapacity.Novas ferramentas para analizar os resultados dos algoritmos deadaptación de enlace.

Liñas futurasExpandir o concepto de informed outage capacity á canle multi-estado.Realizar simulacións cos parámetros da capa física dos estándaresDVB-S2X/DVB-RCS2.Probas de campo para testear os algoritmos.

21 / 24

Conclusións e liñas futuras

Grazas pola súa atención

22 / 24

Conclusións e liñas futuras

Ecuacións algoritmos

Variante LMS Normalizado:

ci+1 = ci −µ

θ2 + snr2i−2d(εi−d − p̃0,i ) · θ (8)

co lazo de p̃0,i :p̃0,i+1 = p̃0,i − λ(εi−d − p0) (9)

23 / 24

Conclusións e liñas futuras

Ecuacións informed outage capacity

Modelo SNR efectiva

ρ = αρ̂+ (1− α)ρ̄+ σρ√

1− α2W (10)

FDP condicional

f (ρ|ρ̂) ∼ N(αρ̂+ (1− α)ρ̄, σρ

√1− α2

)(11)

∫ ρout

−∞f (ρ|ρ̂)dρ = p0 (12)

Cout,ρ̂ = log2(1 + ρout) (13)

Cout =

∫Cout,ρ̂f (ρ̂)d ρ̂ (14)

24 / 24