Abstract
This paper developed a cross-layer adaptive modulation and coding (AMC) design for space-time block coded (STBC) MIMO–OFDM systems, which combines the AMC at the physical layer with an automatic repeat request (ARQ) protocol at the data link layer, in order to maximize spectral efficiency under specified delay and packet error ratio (PER) constraints. The transmission mode for each subcarrier is updated frame-by-frame to match the time-varying channel conditions, in order to take full advantage of the OFDM systems. The proposed cross-layer AMC design is also incorporated with STBC to further improve the system performance. Numerical results have demonstrated that retransmission at the data link layer alleviate rigorous error-control requirements at the physical layer and thereby allows higher data rate transmission. It is shown that this cross-layer design has achieved considerable spectral efficiency gain in comparison with traditional AMC without cross-layer design. Note that increasing the maximum num-ber of retransmissions beyond one has little effect on spectrum efficiency and will cause longer system delay.This suggests that a desirable trade-off between spectral efficiency and delay in the STBC MIMO–OFDM system is achieved by a small number of retransmission.
1.Introduction
Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has attracted a great deal of attention due to its resilience to RF interference, high spectral efficiency, lower multipath distortion and simplified equalisation. It has become the basis for the digital audio broadcasting (DAB) and digital video broadcasting (DVB) standards and has been adopted in current WLAN IEEE 802.11a and 802.11g (WiFi) standards [1]. OFDM may be combined with antenna arrays at the transmitter and receiver to increase bandwidth efficiency and/or robustness using multipath signal propagation, resulting in a multiple-input multiple-output (MIMO) configuration. MIMO techniques are now used in the new IEEE 802.11n standard, and will certainly also occur in the forthcoming 802.16e and 3GPP LTE standards. The combination of MIMO and OFDM has emerged as a promising choice for future high data rate wireless communications to achieve high capacity and high robustness without excessive complexity equalisation, and thus has been proposed for both WiFi, WiMax and 4G communication systems [2]. The multiantenna scheme considered here is spacetime block coding (STBC) [3], which has proved to be efficient in enhancing the reliability of communication systems.
In addition, link adaptation is critical to sustain reliable communications and maximize throughput of communication systems.Transmitter designs adapted to the intended propagation channel are capable of improving both performance and rate of communication links. Note that, the advantage of OFDM is that each subchannel is relatively narrowband and can be assumed to be flat-fading. However, it is entirely possible that a given subchannel has a low gain, resulting in a large BER. Thus, link adaptation techniques carried out carrier-per-carrier are capable of taking
advantage of subchannels having relatively good performance.Adaptive modulation and coding (AMC) is an efficient way to increase spectrum efficiency for OFDM systems and has been studied
extensively and advocated at the physical layer, in order to match transmission rates to time-varying channel conditions [4–9]. With AMC, the modulation and coding format is changed to match the current received signal quality or channel conditions. In the context of broadband wireless communication, many adaptive multiantenna schemes have been proposed for MIMO–OFDM systems [10–16], where AMC is most often carried out to either minimize the BER or maximize the throughput. In [10], for example, the optimum modulation constellation sizes are determined based on BER constraints. The adaptive modulation schemes in [11–15] determine the optimum choice of modulation constellations across the subcarriers based on the targeted BER constraint with the aim to achieve the optimum allocation of data rate and power across subcarrier so that maximum spectral efficiency is achieved without wasting power or sacrificing BER. [16] proposed a transmission channel control scheme to select the transmit parameters (transmit antenna, modulation method and coding rate) for adaptive MIMO–OFDM system using the instantaneous throughput maximization criteria, and the best AMC set is selected based on the received SNR. The above approaches have been proved to be effective to improve net throughput or BER. However,in all of these contributions, AMC is designed at the physical layer and none of them has taken into account the cross-layer interactions between different layers.Note that, to achieve high reliability at the physical layer, one has to use either smaller size constellations, or powerful low-rate error-control coding, both of which reduce the transmission rate.[17,18] proposed to use the automatic repeat request (ARQ) protocol at the data link layer, which requests retransmissions for those packets received in error, to mitigate channel fading in addition to the forward error coding (FEC) at the physical layer. It has been proved that ARQ is quite effective in improving system throughput relative to using FEC alone. Liu and Zhou [17] have demonstrated that combining the design of AMC at the physical layer and ARQ at the data link layer provides considerable spectral efficiency gain over considering them at two different layers separately. Keller and Hanzo [19] and Van Der Schaar [20] have also proved that it can significantly improve the throughput by joint optimizing among layers. Therefore, to make use of the limited spectral resource more efficiently, it is more sensible to optimize the overall system instead of a single layer. However, [17,19,20] have not considered cross-layer design for MIMO–OFDM systems. [21] tak
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摘要
本文针对空时分组编码（STBC）MIMO-OFDM系统开发了跨层自适应调制编码（AMC）设计，该系统将物理层的AMC与数据链路层上的自动重复请求（ARQ）协议 相结合，以便在指定的延迟和分组差错率（PER）约束条件下最大化频谱效率。每个子载波的传输模式逐帧更新以匹配时变信道条件，以便充分利用OFDM系统。所提出的跨层AMC设计也与STBC合并以进一步提高系统性能。数值结果表明，数据链路层的重传缓解了物理层严格的错误控制要求，从而允许更高的数据速率传输。结果表明，与没有跨层设计的传统AMC相比，这种跨层设计已经实现了可观的频谱效率增益。 请注意，将最大重传次数增加到1以外对频谱效率几乎没有影响，并且会导致更长的系统延迟。这表明STBC MIMO-OFDM系统中频谱效率和延迟之间的理想折衷是通过少量重传实现的。
1.引言
正交频分复用（OFDM）由于其对射频干扰的适应性，高频谱效率，较低的多路径失真和简化的均衡化而引起了极大的关注。它已经成为数字音频广播（DAB）和数字视频广播（DVB）标准的基础，并且已经被当前的WLAN IEEE 802.11a和802.11g（WiFi）标准采用[1]。OFDM可以与发射机和接收机处的天线阵列组合，以使用多径信号传播来增加带宽效率和/或鲁棒性，从而导致多输入多输出（MIMO）配置。现在在新的IEEE 802.11n标准中使用MIMO技术，并且在即将到来的802.16e和3GPP LTE标准中肯定也会发生。 MIMO和OFDM的结合已经成为未来高数据速率无线通信的有希望的选择，以实现高容量和高稳健性而没有过多的复杂度均衡，因此已经针对WiFi，WiMax和4G通信系统提出了[2]。这里所考虑的多天线方案是时空分组编码（STBC）[3]，它已被证明在提高通信系统的可靠性方面是有效的。
此外，链路自适应对于维持可靠的通信并使通信系统的吞吐量最大化至关重要。适用于预期传播信道的发射机设计能够提高通信链路的性能和速率。请注意，OFDM的优点是每个子信道都是相对窄带的，可以假设为平坦衰落。 但是，给定的子信道具有低增益是完全可能的，导致较大的BER。因此，每个运营商所实施的链路自适应技术都能够胜任自适应调制和编码（AMC）是提高OFDM系统频谱效率的有效方法，并且已经在物理层进行了广泛研究和提倡，以便将传输速率与时变信道条件相匹配[4-9]。使用AMC时，调制和编码格式将更改为与当前接收信号质量或信道条件相匹配。 在宽带无线通信的情况下，已经提出了许多自适应多天线方案用于MIMO-OFDM系统[10-16]，其中AMC通常被执行以最小化BER或最大化吞吐量。例如，在[10]中，最佳调制星座大小是基于BER约束来确定的。 目标是在子载波上实现数据速率和功率的最佳分配，从而实现最大的频谱效率而不会浪费功率或牺牲BER，[11-15]中的自适应调制方案基于目标BER约束来确定跨子载波的调制星座的最佳选择。文献[16]提出了一种传输信道控制方案，利用瞬时吞吐量最大化准则选择自适应MIMO-OFDM系统的发射参数（发射天线，调制方法和编码速率），并根据接收的SNR选择最佳的AMC集。上述方法已被证明对于提高净吞吐量或BER有效。 然而，在所有这些贡献中，AMC都是在物理层设计的，并且它们都没有考虑到不同层之间的跨层交互。注意，为了在物理层实现高可靠性，必须使用较小尺寸的星座或强大的低速率误码控制编码，这两者都会降低传输速率。[17,18]提出使用自动重复 数据链路层上的请求（ARQ）协议除了在物理层处的前向差错编码（FEC）之外还请求对那些接收到的差错的分组进行重传以减轻信道衰落。 已经证明，与单独使用FEC相比，ARQ在提高系统吞吐量方面非常有效。Liu和Zhou [17]已经证明，将物理层的AMC和数据链路层的ARQ相结合，在分别考虑两个不同层的情况下提供了相当大的频谱效率增益。 Keller和Hanzo [19]和Van Der Schaar [20]也证明，它可以通过层间联合优化显着提高吞吐量。因此，为了更有效地利用有限的频谱资源，优化整个系统而不是单层系统是更明智的做法。 然而，[17,19,20]没有考虑MIMO-OFDM系统的跨层设计。 [21]考虑了MIMO-OFDM系统中媒体接入层（MAC）中物理层数据速率和误码率之间的耦合。 然而，他们的重点是在实际运行条件下提高链路能效。 在[22]中，提出了一种跨层优化方法，其方式是自适应比特和功率分配与数据链路层中的调度一起在物理层中执行。 因此，目前为止，为了使MIMO-OFDM系统的频谱效率最大化，目前文献中还没有利用跨层互作用来执行AMC的。在本文中，数据链路层考虑了ARQ协议，以缓解物理层严格的错误控制要求。而且，不是分别考虑物理层的AMC和数据链路层的ARQ，而是将这两层结合起来使MIMO-OFDM系统的频谱效率最大化。采用[17]中介绍的方法作为跨层设计的基础：AMC旨在保证所需性能取决于ARQ的纠错能力。具体而言，根据信道条件和数据链路层的相应PER动态选择每个子载波的最优调制和编码模式。本文提出的传输结构也将这种跨层AMC方案与STBC结合起来，进一步提高了误码率性能。因此，在天线上发送之前，自适应调制的输出码元然后在每个副载波内进行空时块编码。数值结果表明，在期望的延迟和误差性能约束下，所提出的跨AMC方案相对于单独AMC的相当大的速率改进。
本文的其余部分安排如下。 在第2节中，我们介绍系统模型。 第3节介绍了将物理层的AMC与数据链路层的ARQ相结合的跨层设计。 在第4节中，我们给出了仿真结果。最后，第5节总结了论文。
2.系统描述
我们考虑一个带有两个发射天线和两个接收天线的MIMO-OFDM系统。 子载波总数为N.每个子载波，我们部署所提出的跨层联合AMC-ARQ设计。 自适应调制的输出符号在每个子载波内进行空时分组编码，然后在天线上传输。
他提出的结合STBC的自适应MIMO-OFDM示意图如图1所示。它由物理层的AMC模块和数据链路层的ARQ模块组成。数据链路层的处理单元是一个数据包。在物理层，如图1所示，来自数据链路层的数据分组（由循环冗余校验（CRC）编码）在发送到发送缓冲区之前被发送到Turbo编码器。对于每个副载波，调制选择器基于在接收器处获得的信道估计来选择调制和编码模式。所选择的模式通过反馈信道（如图1中的虚线所示）发送回AMC模块，以更新用于发射机上每个子载波的调制方案和编码速率。这样，AMC处理期间不同的子载波使用不同的调制和编码方案以利用OFDM系统。然后在OFDM调制之后从多个天线发送之前，使用Alamouti算法[23]对自适应调制信号进行空时编码。
Alamouti方案具有全发射分集增益和低复杂度解码器，编码矩阵表示为
(1)
其中x 1和x 2是两个连续信号，其被映射到两个发射天线。 编码输出在两个连续发送周期中从两个天线（行）发送（列）。
在数据链路层，实现了ARQ协议。 如果在分组中检测到错误，则重发请求由ARQ生成器生成; 否则，不会生成请求。 重发请求通过反馈信道（图1中的虚线）发送回发射机，并激活所请求的分组的重传，该分组存储在缓冲器中。
在接收器处，在FFT之后，执行相干解调和最大似然（ML）解码。解码的信息比特被映射到数据分组并且在数据链路层被发送到CRC解码器。如果在分组中没有检测到错误，则将确认（ACK）消息发送回发射机并发送下一个分组;否则，反馈Noacknowledgement（NAK）消息，并由ARQ生成器生成重传请求。这个请求被发送回发射机（缓冲区），并且该分组被重新发送，直到它被正确接收或实现最大重传次数。
3.用于MIMO-OFDM系统的跨层联合AMC和ARQ设计
在本文中，我们使用在文献[17]中提出的跨层设计方法将物理层的AMC和数据链路层的ARQ结合起来。在N个OFDM载波上的编码和调制方案由提出的AMC链路自适应策略在载波每载波的基础上选择。
在物理层，传输是逐帧进行的。 每个帧都包含固定数量的符号。 使用AMC，不同的传输模式会导致不同的频谱效率。 我们考虑五种未编码的传输模式：无传输，BPSK，QPSK，16-QAM和64-QAM; Turbo编码率1/3，QPSK，Turbo编码率1/2，QPSK，Turbo编码率1/3，16-QAM，Turbo编码率1/2，16-QAM。 设M表示可用传输模式的总数，则M = 4。 如表1和表2所示，模式索引是m = 0，...，M，并且数据速率随着上行模式索引m而增加，其表示所有可用的未编码和编码传输模式的数据速率。
众所周知，系统在实践中只能容忍有限的延迟和缓冲区大小，因此只能进行有限次数的重传被允许。 将最大重传数定义为。换言之，应该在数据链路层执行多达次重传，并且如果在次重传之后错误地接收到分组，则丢弃分组。 服务质量要求次重传后的丢包概率不应大于。 请注意，和都可以从感兴趣的应用程序的所需服务质量派生。 我们的目标是在物理层设计一个最佳的AMC借助数据链路层的ARQ将每个子载波与时变信道条件进行匹配，以便在延迟限制下使吞吐量最大化，并且整体系统性能由。
假设每个副载波上的任何传输模式都保证瞬时PER不大于P0。 然后，PER在数据链路层之后重发不会超过。 这很容易得出
lt;= (2)
这证明
lt;= (3)
然后我们可以定义目标PER，即（3）中瞬时PER的上限
lt;=:= (4)
显然，Ptarget由系统对错误性能和延迟的要求决定。 然后，AMC算法的目标可以被描述为：通过动态地选择用于每个子载波中的传输的最优调制和编码方案，受到延迟（即重传次数不大于Nmax）的限制，使频谱效率最大化，以及 （4）中给出的误码率性能（即瞬时PER不大于上限Ptarget）。
对于OFDM传输，所选传输模式的瞬时PER可以由接收的SNR确定。 因此我们可以使用接收的SNR来选择传输模式。 如[24]中所示，我们将整个SNR范围划分为M 1个不重叠的连续区间，并将这些区域的边界表示为。 区域边界被定义为确保PER 6 Ptarget所需的最小SNR，从而可以使用模式m。 也就是说，每个SNR区域对应于一种传输模式，即如果 [ , )，子载波在调制解调器中传输。 请注意，当0lt;=lt;1时，不会选择传输。这些边界点封装了错误率性能和延迟的要求。 在确定它们的值之后，我们可以根据接收到的信号质量为每个副载波选择最佳传输模式。 边界点的计算将在下面分别讨论未编码和编码传输。
3.编码传输
对于Turbo编码的STBC MIMO-OFDM，精确的闭环PER不可用。 因此，我们使用Monte Carlo仿真来评估AWGN信道上不同编码和调制模式下的PER性能，并将总SNR范围划分为M 1个非重叠连续区间，就像我们对未编码案例所做的那样。 对于每种传输模式，实现PER lt;= Ptarget所需的最小SNR是切换到此模式的边界点，因此PER曲线与PER = Ptarget的交点就是所需的开关边界。 图2示出了使用Turbo编码的STBC MIMO-OFDM系统的模拟PER的这五种传输模式的SNR分区，其中Turbo码的块长度是1024位，使用Ptarget = 0.01的例子来说明。 这样，不同的和Ptarget的开关边界就被获得，并在表4中给出。
对于未编码和编码传输，在确定SNR区域及其边界点之后，AMC可以使用模式m被选择为每个子载波逐帧操作：当[ , ) (7)
综上所述，MIMO-OFDM系统的跨层AMC算法可以描述为：
（1）给定理想的延迟，确定。
（2）给定数据链路层（即Ploss）系统所需的丢包概率和指定的，使用（4）确定Ptarget。
（3）对于这个指定的Ptarget，使用（6）获得未编码传输的传输模式m = 0，...，M的SNR区域边界; 或者使用表4进行Turbo编码传输。
（4）如（7）式所示，使用AMC根据接收SNR选择每帧和每个子载波的最佳传输方案，
（5）重传分组，直到它被正确接收或重传次数达到。
通过这种方式，跨层AMC算法可以通过始终为每个子载波选择最佳传输模式以匹配时变信道条件，同时保持具有可容许延迟的PER性能，从而使MIMO-OFDM系统的频谱效率最大化。
结论
在本文中，我们开发了一种用于空时分组编码的MIMO-OFDM系统的跨层AMC方案，该方案将物理层的AMC与数据链路层的ARQ相结合，以便在规定的延迟和时间下最大化频谱效率PER约束。为了匹配时变信道条件，每个子载波逐帧更新传输模式，以便充分利用OFDM系统。本文提出的传输方案也包含了提出的具有STBC的跨层AMC方案，以进一步提高误码率性能。仿真结果表明，所提出的跨层AMC设计比单独AMC的速率改进。这是因为重传减轻了物理层严格的纠错要求，从而允许更高的传输速率。但是，
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