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  • EDITE - ED 130

    Doctorat ParisTech

    T H S Epour obtenir le grade de docteur dlivr par

    Tlcom ParisTechSpcialit : lectronique et Communications

    prsente et soutenue publiquement par

    Sbastien MARCILLESoutenance prvue en fvrier 2013

    Allocation de ressources pour les rseaux ad hocmobiles bass sur les protocoles HARQ

    Directeur de thse : Philippe CIBLATCo-directeur de thse : Christophe LE MARTRET

    Tlcom ParisTechcole de lInstitut Tlcom membre de ParisTech

  • i

    Contents

    List of Acronyms vii

    General Introduction 1

    1 An overview of Hybrid ARQ techniques 71.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 From Automatic Repeat reQuest (ARQ) to Hybrid ARQ . . . . . . . . . . . 7

    1.2.1 ARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.2 Hybrid ARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    1.3 The retransmission protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3.1 Throughput, efficiency, and their byproducts . . . . . . . . . . . . . 111.3.2 Selective Repeat protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3.3 Go-Back-N protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.4 Stop and Wait protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    1.4 Cross-layer HARQ techniques for packet-oriented systems . . . . . . . . . 141.4.1 Layer model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.4.2 Definition of the HARQ performance metrics . . . . . . . . . . . . . 171.4.3 Cross-layer HARQ techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.4.4 Brief state of the art on HARQ performance expressions . . . . . . 18

    1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    2 An Early-Drop version of cross-layer Hybrid ARQ 252.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2 Description of the Early-Drop mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3 Efficiency new closed-form expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    2.3.1 General expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3.2 Computation of dEDIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.3.3 Main result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    2.4 Particular case: Type-I HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.5 Numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    2.5.1 Simulation settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.5.2 Exact analytic expressions versus simulations . . . . . . . . . . . . 32

  • ii CONTENTS

    2.5.3 Discussion on the relevance of Early-Drop . . . . . . . . . . . . . . 322.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    3 Hybrid ARQ with imperfect feedback 373.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    3.2.1 Unreliable ACK/NACK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2.2 Non-zero RTT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    3.3 Imperfect feedback model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.1 Typical feedback errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.2 Mathematical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    3.4 A general cross-layer HARQ scheme using report of credit . . . . . . . . . 433.4.1 Description of the proposed scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.4.2 IBS seen as a particular case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.4.3 An example of RCS and IBS with imperfect feedback . . . . . . . . 44

    3.5 HARQ performance analysis with imperfect feedback . . . . . . . . . . . . 453.5.1 IP level analysis of RCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.5.2 IP level analysis of IBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.5.3 IP level analysis of FBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    3.6 Some particular cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.6.1 IBS performance at large SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.6.2 Instantaneous noisy feedback (T = 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.6.3 Type-I HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    3.7 Numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.7.1 Simulations setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.7.2 Monte-Carlo simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.7.3 Discussion on the feedback: effect of pe . . . . . . . . . . . . . . . . 523.7.4 Discussion on the time-out value: effect of RTT . . . . . . . . . . . . 553.7.5 PER performance of RCS versus FBS and IBS . . . . . . . . . . . . . 56

    3.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

    4 Resource allocation problems in mobile ad hoc networks 614.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.2 Working context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.3 Clustered mobile ad hoc networks: assumptions . . . . . . . . . . . . . . . 62

    4.3.1 Interference management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.3.2 Channel state information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    4.4 Mathematical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.4.1 Channel model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.4.2 Power and bandwidth parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.4.3 Resource allocation optimization issue . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

  • CONTENTS iii

    4.5 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.5.1 Information-theoretic tools based allocation with continuous mod-

    ulation schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.5.2 Information theoretic tools based allocation with finite-size modu-

    lation schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.5.3 Allocation with practical modulation and coding schemes . . . . . 72

    4.6 Optimization problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.6.1 Finite-length Gaussian codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.6.2 Practical MCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

    4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

    5 Resource allocation for HARQ with finite length codes 775.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.2 Maximum rate codes with finite block length: previous works . . . . . . . 77

    5.2.1 Random coding bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.2.2 Channel dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.2.3 Mutual information spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    5.3 The error probability of finite length Gaussian codes over the Rayleighchannel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.3.1 Channel model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.3.2 The distribution of the mutual information rate . . . . . . . . . . . 805.3.3 Derivations of closed-form expression for the outage probability . 83

    5.4 Resource allocation with finite size codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.4.1 Optimization problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.4.2 Optimal allocation algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    5.5 Numerical results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.5.1 Simulation settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.5.2 GOP results versus increasing sum-rate demand . . . . . . . . . . . 915.5.3 How to choose the information rate rk? . . . . . . . . . . . . . . . . 935.5.4 How close are powerful FEC codes? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

    5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

    6 Resource allocation for HARQ with practical MCS 996.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.2 Practical MCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.3 Rate constrained power minimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

    6.3.1 Optimization problem formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016.3.2 Feasibility and convexity properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016.3.3 Optimal algorithm with fixed MCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.3.4 The case of imperfect feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1036.3.5 Numerical results with fixed MCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

  • iv CONTENTS

    6.3.6 Modulation and coding scheme selection . . . . . . . . . . . . . . . 110

    6.3.7 Numerical results for MCS selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

    6.4 Packet error and rate constrained power minimization . . . . . . . . . . . 115

    6.4.1 Optimization problem formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

    6.4.2 Feasibility and structure properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

    6.4.3 Optimal algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

    6.4.4 Suboptimal algorithms . . . . . . . .

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