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

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

Feb 22, 2024 196 likes •430 views

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

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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

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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. ¡
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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.
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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

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cross-layer design for SDR

SDR ¡configures ¡radio ¡for ¡user ¡u9lity

  • ­‑ ¡interoperability
  • ­‑ ¡spectrum ¡efficiency, ¡white-­‑space
  • ­‑ ¡quality ¡of ¡service, ¡throughput, ¡delay ¡tolerance
  • ­‑ ¡energy ¡efficiency
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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

✓

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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

✓ ✓ ✓

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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
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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
  • ­‑ ¡MAC ¡has ¡access ¡to ¡PHY ¡layer ¡parameters

component ¡level ¡and ¡system ¡level ¡power ¡management ¡ can ¡be ¡integrated ¡into ¡every ¡layer ¡of ¡SDR ✓

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key idea

minimize ¡energy ¡consump9on ¡of ¡link

  • ­‑ ¡goal ¡is ¡to ¡transmit ¡informa9on, ¡Ns ¡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

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key idea

minimize ¡energy ¡consump9on ¡of ¡link

  • ­‑ ¡goal ¡is ¡to ¡transmit ¡informa9on, ¡Ns ¡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

  • p9mize ¡both ¡MAC ¡and ¡PHY ¡parameters ¡for ¡Ns ¡bits
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SLIDE 12

adaptive modulation and coding

adap9ve ¡modula9on ¡and ¡coding ¡(AMC)

  • ­‑ ¡tradi9onally ¡used ¡to ¡increase ¡throughput
  • ­‑ ¡subject ¡to ¡peak ¡/ ¡average ¡power ¡constraint
info ¡bits NX ¡+ ¡Nh ¡symbols decoded ¡bits fixed ¡packet ¡length, ¡Np MAC PHY

Tx Rx

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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 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Nm ¡ ¡ ¡
  • ­‑ ¡send ¡low-­‑rate ¡data ¡in ¡difficult ¡channels ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Nm ¡ ¡ ¡
each ¡packet Np ¡= ¡NX* ¡Nm ¡ ¡info ¡bits decoded ¡bits Np Np Np ... NX ¡+ ¡Nh ¡symbols Np Ns ¡informa9on ¡bits MCS for ¡target PER ¡/ ¡BER ¡/ ¡SER packet ¡error? MAC PHY SNR

Tx Rx

Nm ¡= ¡no. ¡of ¡informa9on ¡bits ¡per ¡Tx ¡symbol
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cross-layer scheme

each ¡packet Np ¡op9mal decoded ¡bits Np Np Np ... ¡ ¡ARQ Ng ¡BPSK Np ¡/Nm ¡+ ¡Nh ¡symbols Np Np
  • ­‑ ¡simple ¡re-­‑transmission ¡scheme ¡(MAC)
  • ­‑ ¡adap9ve ¡modula9on ¡and ¡coding ¡(PHY/MAC)
  • ­‑ ¡op9mize ¡info ¡packet ¡length, ¡Np ¡(MAC)
Ns ¡informa9on ¡bits packet ¡error? MCS for ¡minimum BER ¡/ ¡PER MAC PHY SNR

Tx Rx

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SLIDE 15

energy

total ¡energy ¡consump9on ¡for ¡Ns ¡bits ¡depends ¡on

  • ­‑ ¡transmission ¡power ¡(energy ¡per ¡symbol)
  • ­‑ ¡MCS
  • ­‑ ¡packet ¡length, ¡Np
  • ­‑ ¡number ¡of ¡re-­‑transmissions ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡i.e. ¡ ¡packet ¡length ¡and ¡bit ¡error ¡rate ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

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energy

total ¡energy ¡consump9on ¡for ¡Ns ¡bits ¡depends ¡on

  • ­‑ ¡transmission ¡power ¡(energy ¡per ¡symbol)
  • ­‑ ¡MCS
  • ­‑ ¡packet ¡length, ¡Np
  • ­‑ ¡number ¡of ¡re-­‑transmissions ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡i.e. ¡ ¡packet ¡length ¡and ¡bit ¡error ¡rate ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

energy trade-off with MCS and Np

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SLIDE 17
  • ur scheme

simplify ¡by ¡including ¡MAC ¡collisions ¡in ¡effec9ve ¡BER

  • ­‑ ¡simulate, ¡measure

choose ¡MCS ¡with ¡lowest ¡BER ¡for ¡each ¡SNR for ¡equal ¡transmission ¡power ¡in ¡forward ¡and ¡reverse ¡link, ¡

  • p9mal ¡packet ¡length ¡is

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

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case study WLAN OFDM

Ng ¡= ¡480 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

MCS, m #1 #2 #3 #4 link Mbps 6 9 12 18 modln BPSK BPSK QPSK QPSK code rate

½ ¾ ½ ¾

Nm 0.5 0.75 1.0 1.5 SNR BER BER measured from from WLAN simulation lation 9 dB 0.018 0.0101 0.0178 0.1082 10 dB 0.006 0.008 0.0109 0.0420 11 dB 0.002 0.003 0.0031 0.0122 12 dB 0.0005 0.001 0.002 0.0041 13 dB 4.38e-8 4.125e-7 2.18e-4
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SLIDE 19 Energy consumption vs SNR for AMC using fixed packet length, Np, and proposed optimized packet length for energy-efficiency.

energy trade-off with MCS and Np

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SLIDE 20
  • ptimal packet length, Np
The Optimum Packet Length vs SNR
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SLIDE 21

energy trade-off with MCS and Np

Energy consumption vs SNR for AMC using fixed packet length, Np, and proposed optimized packet length for energy-efficiency. The Optimum Packet Length vs SNR
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  • Reliable. Connected.

Real Solutions. www.itr.unisa.edu.au

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Associate ¡Professor ¡Linda ¡Davis

linda.davis@unisa.edu.au www.itr.unisa.edu.au