Evaluation of New Link Adaptation Techniques for Mobile Satellite

Evaluation of New Link Adaptation Techniques for Mobile Satellite

Evaluation of New Link Adaptation Techniques for Mobile
Satellite Channels
Anxo Tato Arias
[email protected]
Titor: Carlos Mosquera Nartallo
02 outubro de 2015
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Contenidos
1
Introducción
Objetivos
2
Componente satélite de las IMT-2000
3
Estándar S-UMTS familia SL
4
Modelo de canal
5
Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Enlace de retorno (canal multi-estado)
Herramientas
Informed outage capacity
6
Conclusiones y líneas futuras
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Introducción
Objetivos
Objetivos del proyecto
Estudiar la familia SL del estándar S-UMTS.
Analizar el canal LMS (Satélite Móvil Terrestre).
Implementar en Matlab el modelo de canal LMS multi-estado.
Modificar el algoritmo del enlace de retorno y adaptarlo para operar
enel enlace directo.
Validar el correcto funcionamiento de los algoritmos en el canal LMS.
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Introducción
Objetivos
BGAN: sistema comercial S-UMTS
Spectrum is the lifeblood of communication systems
Eficiencia espectral (bit/s/Hz)
Cobertura sistema comercial BGAN (Inmarsat)
Parámetros:
Frecuencia: banda L ∼ 1600 MHz
Ancho de banda: ↓41 MHz, ↑41 MHz
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Componente satélite de las IMT-2000
Arquitectura IMT-2000
Interfaces Radio Satélite (SRI)
SRI-A, SRI-B, SRI-C, SRI-E, SRI-F, SRI-G, SRI-H
5 / 29
Estándar S-UMTS familia SL
Pila de protocolos
6 / 29
Estándar S-UMTS familia SL
Capa física: PHY
Tasas binarias: 3 - 850 kbps
Tipos de portadoras (Bearers)
Modulación: 64-QAM, 32-QAM, 16-QAM, QPSK, π/4 QPSK
Tasa de símbolo: 8.4 - 168 kbaud
Duración: 5 ms, 20 ms, 80 ms
Subtipos de portadoras
Tasa de codificación del turbo-codificador: 0.33 - 0.90
p
Buffer
SRCC
I1
d
Variable
Puncturing
Data in
q
Interleaver
SRCC
nc
Q1
I0
Q0
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Modelo de canal
Modelo de canal de Fontán
fR (r ) =
r
√
σr2 σln 2π
Z
0
∞
1
(ln a − µ)2 (r 2 + a2 )
ra
exp −
−
I0
da
2
2
a
2σr
σr2
2σln
(1)
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el 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.
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Exposición del problema
Obxectivo:
Maximizar a eficiencia espectral
Restrición:
MODCOD da trama i
algoritmo de
adaptación de enlace
feedback
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Matemáticas...
Adaptación del margen ci :
Selección del MODCOD:
(2)
mi = Π(snri−d + ci )
Problema de optimización:
minc J(c) = minc |E[] − p0 |
2
(3)
Descenso por gradiente:
ci+1 = ci − µi
∂J
(ci )
∂c
(4)
Esquema de adaptación:
ci+1 = ci − µ (i−d − p0 )
(5)
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Matemáticas...
Adaptación del margen ci :
Selección del MODCOD:
(2)
mi = Π(snri−d + ci )
Problema de optimización:
minc J(c) = minc |E[] − p0 |
2
(3)
Descenso por gradiente:
ci+1 = ci − µi
∂J
(ci )
∂c
(4)
Esquema de adaptación:
ci+1 = ci − µ (i−d − p0 )
(5)
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Matemáticas...
Adaptación del margen ci :
Selección del MODCOD:
(2)
mi = Π(snri−d + ci )
Problema de optimización:
minc J(c) = minc |E[] − p0 |
2
(3)
Descenso por gradiente:
ci+1 = ci − µi
∂J
(ci )
∂c
(4)
Esquema de adaptación:
ci+1 = ci − µ (i−d − p0 )
(5)
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Matemáticas...
Adaptación del margen ci :
Selección del MODCOD:
(2)
mi = Π(snri−d + ci )
Problema de optimización:
minc J(c) = minc |E[] − p0 |
2
(3)
Descenso por gradiente:
ci+1 = ci − µi
∂J
(ci )
∂c
(4)
Esquema de adaptación:
ci+1 = ci − µ (i−d − p0 )
(5)
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Matemáticas...
Adaptación del margen ci :
Selección del MODCOD:
(2)
mi = Π(snri−d + ci )
Problema de optimización:
minc J(c) = minc |E[] − p0 |
2
(3)
Descenso por gradiente:
ci+1 = ci − µi
∂J
(ci )
∂c
(4)
Esquema de adaptación:
ci+1 = ci − µ (i−d − p0 )
(5)
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Matemáticas... (2)
Adaptación del margen ci y del peso de la SNR ξi :
Selección del MODCOD:
mi = Π(ξi · snri−d + ci )
(6)
Esquema de adaptación:
ξi+1 = ξi − µ · (i−d − p0 ) · snri−2d
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Matemáticas... (2)
Adaptación del margen ci y del peso de la SNR ξi :
Selección del MODCOD:
mi = Π(ξi · snri−d + ci )
(6)
Esquema de adaptación:
ξi+1 = ξi − µ · (i−d − p0 ) · snri−2d
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Resultados (1)
Evolución del margen y la FER acumulada
0.5
0.25
6 km/h
25 km/h
50 km/h
120 km/h
0
6 km/h
25 km/h
50 km/h
120 km/h
0.2
−0.5
FER
Margin ci
0.15
−1
−1.5
0.1
−2
0.05
−2.5
−3
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Frame index
(a) Marxe
1.4
1.6
1.8
2
4
x 10
0
500
1000
1500
2000 2500 3000
Frame index
3500
4000
4500
5000
(b) FER acumulada
Figura: Entorno suburbano, FER objetivo de 0.01 y LOS SNR de 6 dB
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Adaptación de enlace S-UMTS
Algoritmo robusto para el enlace directo
Resultados (2)
Eficiencia espectral y FER
2
0.09
Ideal Throughput
Fixed margin
Adaptive margin
Adaptive margin and weight)
1.8
Fixed margin
Adaptive margin
Adaptive margin and weight
0.08
0.07
1.6
0.05
FER
Spectral Efficiency (b/s/Hz)
0.06
1.4
0.04
1.2
0.03
1
0.02
0.8
0.01
0
1
2
3
4
5
LOS SNR (dB)
6
7
8
(a) Eficiencia espectral
9
10
0
0
1
2
3
4
5
LOS SNR (dB)
6
7
8
9
10
(b) FER
Figura: Entorno urbana, velocidad 5 km/h, FER objetivo de 0.001.
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Adaptación de enlace S-UMTS
Enlace de retorno (canal multi-estado)
Selección del MODCOD
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Adaptación de enlace S-UMTS
Enlace de retorno (canal multi-estado)
Resultados canal multi-estado
1.8
0.1
Dual
Open
Closed
ARF-M
0.09
1.6
0.08
1.4
0.06
FER
Spectral Efficiency (b/s/Hz)
0.07
1.2
1
0.05
0.04
0.8
0.03
0.6
Dual
Open
Closed
ARF-M
0.4
0.02
0.01
0.2
0
0
5
10
15
LOS SNR (dB)
20
25
0
5
(a) Eficiencia espectral
10
15
LOS SNR (dB)
20
25
(b) FER
Figura: I-tree 60 km/h
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Adaptación de enlace S-UMTS
Herramientas
Adaptación de enlace en el dominio temporal
channel MI
rate allowed
2
1.8
1.6
errors
1.4
1.2
1
rate of the used MCS
0.8
0.6
0.4
successful transmissions
0.2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
200
250
300
350
400
450
0
−1
ACKs provoke margin increases slowly
Margin
−2
errors provoke margin
decreases rapidily
−3
−4
−5
−6
−7
0
50
100
150
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Adaptación de enlace S-UMTS
Informed outage capacity
Informed outage capacity
Cout,ρ̂ = log2 (1 + ρout )
(7)
0.7
PDF channel
PDF channel | CSI = 6dB, α = 0.5
PDF channel | CSI 6 dB, α = 0.95
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
−6
−4
−2
0
2
4
6
8
10
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Adaptación de enlace S-UMTS
Informed outage capacity
Resultados (1)
Outage capacity for LOS SNR of 5 dB
Outage capacity for LOS SNR of 5 dB
2
2.4
p = 1E−4
0
1.9
2.2
p0 = 1E−3
p = 1E−2
0
2
Outage capacity (bit/s/Hz)
Outage capacity (bit/s/Hz)
1.8
1.8
1.6
α=0
α = 0.28
α = 0.5
α = 0.7
α = 0.9
α = 0.99
α = 0.999
1.4
1.2
1
−6
10
−5
10
−4
10
−3
−2
10
10
Outage probability
(a)
−1
10
p0 = 1E−1
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
0
10
1.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Correlation α
0.7
0.8
0.9
1
(b)
24 / 29
Adaptación de enlace S-UMTS
Informed outage capacity
Resultados (2)
1.8
1.6
Spectral Efficiency (b/s/Hz)
1.4
1.2
1
0.8
0.6
Genie−aided efficiency
Constrained outage capacity
Fixed margin
Adaptive margin
Adaptive margin and weight
0.4
0.2
0
0
2
4
6
LOS SNR (dB)
8
10
Eficiencia espectral = 97 % Informed Outage Capacity
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Conclusiones y líneas futuras
Conclusiones
Muy buenos resultados con el canal multi-estado del algoritmo dual
que balancea las dos SNRs.
El algoritmo para el enlace directo ofrece un buen comportamiento en
términos de FER.
El algoritmo para el enlace directo logra el 97 % de la informed outage
capacity.
Novas herramientas para analizar los resultados de los algoritmos de
adaptación de enlace.
Líneas futuras
Expandir el concepto de informed outage capacity al canal multi-estado.
Realizar simulaciones co los parámetros de la capa física de los
estándares DVB-S2X/DVB-RCS2.
Pruebas de campo para testear los algoritmos.
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Conclusiones y líneas futuras
Gracias por su atención
27 / 29
Conclusiones y líneas futuras
Ecuaciones algoritmos
Variante LMS Normalizado:
ci+1 = ci −
θ2
µ
(i−d − p̃0,i ) · θ
+ snr2i−2d
con el lazo de p̃0,i :
p̃0,i+1 = p̃0,i − λ(i−d − p0 )
(8)
(9)
28 / 29
Conclusiones y líneas futuras
Ecuaciones informed outage capacity
Modelo SNR efectiva
ρ = αρ̂ + (1 − α)ρ̄ + σρ
p
1 − α2 W
(10)
FDP condicional
p
f (ρ|ρ̂) ∼ N αρ̂ + (1 − α)ρ̄, σρ 1 − α2
Z
ρout
f (ρ|ρ̂)dρ = p0
(11)
(12)
−∞
Cout,ρ̂ = log2 (1 + ρout )
Z
Cout =
Cout,ρ̂ f (ρ̂)d ρ̂
(13)
(14)
29 / 29