An energy-efficient cross-layer adap3ve modula3on and coding - PowerPoint PPT Presentation

An ¡energy-­‑efficient ¡cross-­‑layer adap3ve ¡modula3on ¡and ¡coding ¡scheme for ¡so9ware ¡defined ¡radio Associate ¡Professor ¡Linda ¡Davis linda.davis@unisa.edu.au www.itr.unisa.edu.au

Abstract An ¡energy-­‑efficient ¡cross-­‑layer ¡adap3ve ¡modula3on ¡and ¡coding ¡scheme for ¡so9ware ¡defined ¡radio Ying ¡Chen ¡and ¡Linda ¡M. ¡Davis Ins2tute ¡for ¡Telecommunica2ons ¡Research University ¡of ¡South ¡Australia In ¡this ¡paper, ¡a ¡simple ¡and ¡novel ¡cross-­‑layer ¡adap9ve ¡modula9on ¡and ¡coding ¡(AMC) ¡scheme, ¡which ¡increases ¡the ¡ energy ¡ efficiency ¡ of ¡ the ¡ wireless ¡ communica9on ¡ system ¡ is ¡ proposed. ¡ ¡ Tradi9onally, ¡ AMC ¡ has ¡ been ¡ used ¡ to ¡ improve ¡ MAC-­‑layer ¡ performance ¡ in ¡terms ¡ of ¡ coded ¡ bit ¡ error ¡ rate, ¡ packet ¡ error ¡ rate, ¡ and ¡ throughput. ¡ ¡ The ¡ modula9on ¡and ¡coding ¡scheme ¡is ¡switched ¡according ¡to ¡signal-­‑to-­‑noise ¡ra9o ¡thresholds ¡at ¡the ¡PHY ¡layer. ¡ ¡We ¡ extend ¡the ¡approach, ¡proposing ¡a ¡framework ¡for ¡energy-­‑efficient ¡cross-­‑layer ¡AMC ¡that ¡captures ¡the ¡impact ¡of ¡ both ¡MAC ¡layer ¡and ¡PHY ¡layer ¡parameters ¡on ¡the ¡AMC ¡switching ¡criteria. ¡ ¡Cross-­‑layer ¡designs ¡are ¡naturally ¡suited ¡ to ¡soJware ¡defined ¡radio ¡applica9ons. ¡Not ¡only ¡ are ¡they ¡readily ¡implemented ¡in ¡soJware, ¡but ¡also ¡they ¡are ¡ integral ¡to ¡the ¡radio ¡components. ¡ ¡They ¡can ¡op9mize ¡performance ¡of ¡the ¡radio ¡either ¡for ¡a ¡given ¡configura9on ¡or ¡ adap9vely. ¡ ¡Through ¡an ¡example ¡of ¡CSMA/CA ¡MAC ¡layer ¡and ¡WLAN ¡physical ¡layer, ¡we ¡demonstrate ¡our ¡AMC ¡ scheme ¡and ¡verify ¡its ¡effec9veness ¡by ¡simula9on. ¡

Biography Linda ¡Davis ¡ received ¡the ¡B.E.(Elec.) ¡degree ¡with ¡first ¡class ¡ honours ¡from ¡the ¡University ¡of ¡Adelaide ¡in ¡1994, ¡and ¡the ¡ Ph.D. ¡degree ¡from ¡the ¡University ¡of ¡Melbourne ¡in ¡1999. ¡ ¡ Since ¡August ¡2008, ¡she ¡has ¡been ¡with ¡the ¡Ins9tute ¡for ¡ Telecommunica9ons ¡Research ¡(ITR) ¡at ¡the ¡University ¡of ¡ South ¡Australia ¡as ¡an ¡Associate ¡Research ¡Professor ¡in ¡ wireless ¡communica9ons. Linda ¡has ¡a ¡mix ¡of ¡industrial ¡and ¡academic ¡research ¡and ¡ development ¡experience, ¡having ¡held ¡posi9ons ¡at ¡Bell ¡ Laboratories ¡Research, ¡Agere ¡Systems, ¡Macquarie ¡ University, ¡and ¡the ¡Defence ¡Science ¡and ¡Technology ¡ Organisa9on ¡(DSTO). ¡ ¡Her ¡research ¡interests ¡include ¡ communica9on ¡theory, ¡wireless ¡physical ¡layer ¡design, ¡and ¡ algorithms, ¡architectures, ¡and ¡implementa9ons ¡for ¡ advanced ¡communica9on ¡receivers ¡including ¡soJware ¡ defined ¡radio.

An ¡energy-­‑efficient ¡cross-­‑layer adap3ve ¡modula3on ¡and ¡coding ¡scheme for ¡so9ware ¡defined ¡radio Associate ¡Professor ¡Linda ¡Davis linda.davis@unisa.edu.au www.itr.unisa.edu.au

cross-layer design for SDR SDR ¡configures ¡radio ¡for ¡user ¡u9lity -­‑ ¡interoperability -­‑ ¡spectrum ¡efficiency, ¡white-­‑space -­‑ ¡quality ¡of ¡service, ¡throughput, ¡delay ¡tolerance -­‑ ¡energy ¡efficiency

cross-layer design for SDR SDR ¡configures ¡radio ¡for ¡user ¡u9lity -­‑ ¡interoperability -­‑ ¡spectrum ¡efficiency, ¡white-­‑space -­‑ ¡quality ¡of ¡service, ¡throughput, ¡delay ¡tolerance -­‑ ¡energy ¡efficiency ✓ flexibility ¡in ¡combina9on ¡of ¡MAC ¡and ¡PHY

cross-layer design for SDR SDR ¡configures ¡radio ¡for ¡user ¡u9lity -­‑ ¡interoperability -­‑ ¡spectrum ¡efficiency, ¡white-­‑space -­‑ ¡quality ¡of ¡service, ¡throughput, ¡delay ¡tolerance -­‑ ¡energy ¡efficiency ✓ flexibility ¡in ¡combina9on ¡of ¡MAC ¡and ¡PHY ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡cross-­‑layer ¡design ✓ ✓ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡integral ¡to ¡radio ¡components ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡adapts ¡to ¡radio ¡configura9on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡op9mized ¡u9lity ¡and ¡performance ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡within ¡configura9on

SDR for cross-layer design SDR ¡is ¡capable ¡of ¡both ¡run-­‑9me ¡reconfigura9on ¡and ¡cross-­‑ layer ¡op9miza9on -­‑ ¡soJware ¡implementa9on ¡of ¡MAC -­‑ ¡soJware ¡controlled ¡reconfigura9on ¡of ¡PHY -­‑ ¡MAC ¡has ¡access ¡to ¡PHY ¡layer ¡parameters

SDR for cross-layer design SDR ¡is ¡capable ¡of ¡run-­‑9me ¡reconfigura9on ¡and ¡cross-­‑ layer ¡op9miza9on -­‑ ¡soJware ¡implementa9on ¡of ¡MAC -­‑ ¡soJware ¡controlled ¡reconfigura9on ¡of ¡PHY can ¡be ¡integrated ¡into ¡every ¡layer ¡of ¡SDR ✓ -­‑ ¡MAC ¡has ¡access ¡to ¡PHY ¡layer ¡parameters component ¡level ¡and ¡system ¡level ¡power ¡management ¡

key idea minimize ¡energy ¡consump9on ¡of ¡link -­‑ ¡goal ¡is ¡to ¡transmit ¡informa9on, ¡ N s ¡ bits -­‑ ¡energy ¡consump9on ¡through ¡ ¡ ¡ ¡ ¡* ¡RF ¡transmission ¡+ ¡re-­‑transmission ¡of ¡info ¡packets ¡ ¡ ¡ ¡ ¡* ¡RF ¡transmission ¡of ¡ACK/NACK ¡for ¡each ¡packet ¡ ¡ ¡ ¡ ¡* ¡receiver ¡RF ¡and ¡processing ¡power ¡assumed ¡negligible

key idea minimize ¡energy ¡consump9on ¡of ¡link -­‑ ¡goal ¡is ¡to ¡transmit ¡informa9on, ¡ N s ¡ bits -­‑ ¡energy ¡consump9on ¡through ¡ ¡ ¡ ¡ ¡* ¡RF ¡transmission ¡+ ¡re-­‑transmission ¡of ¡info ¡packets ¡ ¡ ¡ ¡ ¡* ¡RF ¡transmission ¡of ¡ACK/NACK ¡for ¡each ¡packet ¡ ¡ ¡ ¡ ¡* ¡receiver ¡RF ¡and ¡processing ¡power ¡assumed ¡negligible use ¡adap9ve ¡modula9on ¡and ¡coding op9mize ¡both ¡MAC ¡and ¡PHY ¡parameters ¡for ¡ N s ¡ bits

adaptive modulation and coding adap9ve ¡modula9on ¡and ¡coding ¡(AMC) -­‑ ¡tradi9onally ¡used ¡to ¡increase ¡throughput -­‑ ¡subject ¡to ¡peak ¡/ ¡average ¡power ¡constraint info ¡bits decoded ¡bits MAC N X ¡+ ¡N h ¡ symbols fixed ¡packet ¡length, ¡ N p PHY Tx Rx

adaptive modulation and coding adap9ve ¡modula9on ¡and ¡coding ¡(AMC) -­‑ ¡tradi9onally ¡used ¡to ¡increase ¡throughput -­‑ ¡subject ¡to ¡peak ¡/ ¡average ¡power ¡constraint ¡ -­‑ ¡send ¡high-­‑rate ¡data ¡in ¡favourable ¡channels ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ N m ¡ ¡ ¡  -­‑ ¡send ¡low-­‑rate ¡data ¡in ¡difficult ¡channels ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ N m ¡ ¡ ¡  N s ¡ informa9on ¡bits MCS each ¡packet for ¡target N p ¡ = ¡N X * ¡N m ¡ ¡info ¡bits decoded ¡bits packet ¡error? PER ¡/ ¡BER ¡/ ¡SER MAC N p ... N X ¡+ ¡N h ¡ symbols N p N p N p SNR PHY Tx Rx N m ¡ = ¡no. ¡of ¡informa9on ¡bits ¡per ¡Tx ¡symbol

cross-layer scheme -­‑ ¡simple ¡re-­‑transmission ¡scheme ¡(MAC) -­‑ ¡adap9ve ¡modula9on ¡and ¡coding ¡(PHY/MAC) -­‑ ¡op9mize ¡info ¡packet ¡length, ¡ N p ¡(MAC) N s ¡ informa9on ¡bits MCS each ¡packet for ¡minimum N p ¡ op9mal decoded ¡bits packet ¡error? BER ¡/ ¡PER MAC N p ... N p ¡/N m ¡+ ¡N h ¡ symbols N p N p N p N p SNR ¡ ¡ARQ PHY N g ¡BPSK Tx Rx