Effective Capacity Analysis for Multi-Rate Relay Channels Exploiting Adaptive Cooperative Diversity

Abstract

Aiming at improving the QoS performance over fading channels, this paper presents an analysis of the effective capacity for a relay-assisted communication system which utilizes a cooperative packet retransmission protocol at the link-layer in conjunction with AMC-based multi-rate transmission at the physical layer. In the considered model, a source (S) node employs AMC to transmit delay-constrained packet traffic to the destination (D) node. To achieve adaptive cooperative diversity, a relay node, also equipped with AMC, forwards the packet received from node S to node D if it was able to decode the source packet correctly and node D requested a packet retransmission. For this protocol we derive a closed-form expression for the effective capacity of the queue service process at node S. Numerical results reveal that the proposed cooperative protocol can dramatically increase the effective capacity with respect to a direct transmission system with AMC

Relay selection from an effective capacity perspective

“…Each block lasts a period of t, which is predetermined by the speed of channel state variation. As a result, by substituting (7) and (13) into (6), the EC of the current block is obtained. Furthermore, in terms of EC exploited to evaluate the QoS of relayed transmissions, we propose an EC-based relay selection criterion for each packet expressed as…”

“…Especially, θ → 0 means that the system is able to tolerate infinite long packet delay and θ → ∞ implies that no delay is allowed in the system. An enlightening study is introduced in [6], where the EC is taken as a measurement for the queue service process with a single relay utilizing adaptive modulation.…”

“…Distinct from the study of a single relay with multiple modulation modes in [6], we tackle the selection among multiple relays whose modulation modes are different from each other. Issues affecting the performance are transferred from switching among multiple modulations to combining different modulation modes with different channel states via different relays, which results in varying derivations and discussions.…”

Analysis of effective capacity under approximate composite fading

“…Kanaldaki bozucu etkilerle mücadele edilmesi ag tasarımında katmanlar-arası etkileri göz önüne almayı gerektirir [2, 3]. Adaptif modülasyon ve kodlama (adaptive modulation and coding, AMC) yöntemleri ile işbirlikli iletişimin birlikte kullanımı kapasiteyi artıcı verimli bir yöntem olarak literatürde öne çıkmaktadır [4,5].Hizmet kalitesi saglanmasına yönelik araştırmalar sonucunda asenkron transfer modu (ATM) gibi kablolu aglarda sıkça kullanılan efektif bandgenişligi kavramının çifteşligi olarak efektif kapasite kavramı önerilmiştir [3]. Efektif kapasite kavramı, paket baglaşmalı ve sabit hızlı gelişleri olan bir hizmet sisteminde bir gecikme sınır olasılıgı aşılmadan (delay bound violation probability, DBVP) rastlantısal olarak saglanabilecek maksimum kapasiteyi tanımlar.…”

“…978-1-4673-5563-6/13/$31.00 c 2013 IEEE otomatik tekrar istegi (automatic repeat request, ARQ) ve AMC kullanılan adaptif işbirlikli aglarda, Rayleigh sönümleme etkisi altında, kapalı-form efektif kapasite üst sınır fonksiyonu çıkarımları yapılmıştır. Harsini ve Zorzi tarafından yapılan bu çalışmalarda hizmet kalitesi sınırlamaları sadece kaynak -hedef dügümleri arasında kanal için göz önüne alınmış olup, işbirlikli çeşitlemenin büyük QoS üsteli degerlerinde, direkt iletişim ve bir röle kullanılan işbirlikli protokol karşılaştırılarak efektif kapasitenin önemli oranda arttıgı gösterilmiştir [5,6]. Efektif kapasite yaklaşımı, alternatif bir yol olarak, telsiz aglarda QoS saglanması araştırmalarında gün geçtikçe daha fazla kullanım alanı bulmaktadır [7,8].…”