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ARQ Systems for Wireless Communications

Schmitt, Michael Philipp :
ARQ Systems for Wireless Communications.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: ARQ Systems for Wireless Communications
Language: English
Abstract:

Wireless digital communication always suffers from errors introducted by the channel. Throughout the years, various types of forward error correcting schemes have been developed to soften this effect. However, the recently increasing demands of transmitting data very reliably, i.e. with almost neglectable bit error rate, also over time varying channels, called for other error control systems, which inform the transmitter of the correct or incorrect reception of data. These systems are called automatic repeat request schemes (ARQ) and are the main topic of this work. The contributions of this work to this area are threefold. Firstly, classifications of ARQ systems which can be found in literature are inconsistent and, even worse, the most popular ones are based on actual decoder realizations. This, however, represents a wrong concept, since a system classification should be based on system properties, such as what is sent for the n-th transmission, and not on how a specific realization makes use of it. Therefore, this work, first of all, distinguishes ARQ system from other feedback systems and proceeds with a classification scheme which is purely based on ARQ system properties. This classification is used throughout the remainder of this work. The second contribution lies in the area of ARQ performance measurements. From the realm of these measures, mainly one is treated in literature, namely the throughput. In addition to the fact that there are almost as much throughput definitions as there are ARQ papers, it is hardly treated analytically. The only exceptions are the inefficient memoryless ARQ schemes, which, due to their lack of memory, are much simpler to analyze. Therefore, this work introduces a definition for the throughput as a measurement for the information theoretical performance of ARQ systems, which is independent of the transmission protocol (Stop-and-Wait, Go-Back-N, Selective-Repeat). As a consequence, the channel capacity serves as ultimate performance bound of this throughput. Besides the throughput, other important ARQ system properties such as maximum and average number of transmissions, various delays, and the data rate are introduced. All these measures are derived successively from another, including more and more system and environment parameters. All measurements are bounded with the help of the set of rejection probabilities. Using the results of this work and the set of rejection probabilities of a certain ARQ system and channel model, a detailed insight into the performance of the system can be obtained. Finally, the problem of how to combine independent transmissions of a codeword with possibly varying mapper is investigated. More specifically, optimal combining for maximum likelihood, as well as MAP decoding is investigated for a variety of wireless channel models.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Drahtlose digitale Kommunikation leidet immer unter kanalbedingten Übertragungsfehlern. In den vergangenen Jahrzehnten wurden verschiedene Typen von Vorwärtsfehlerkorrekturverfahren (FEC) entwickelt, um die Fehlerhäufigkeit zu mindern. Den hohen Anforderungen an die Bitfehlerrate bei der Übermittlung von Daten kann jedoch mit FEC - speziell bei stark variierender Kanalgüte - nicht Rechnung getragen werden. Dafür eignen sich besonders Fehlerkorrrekturverfahren, bei dem der Empfänger den Sender über den fehlerfreien oder -behafteten Empfang der Daten informiert und dieser gegebenenfalls einen neuen Übertragungsversuch startet. Diese sogenannten Automatic-Repeat-Request (ARQ) Verfahren sind der Hauptbestandteil der vorliegenden Arbeit. Die neuen Beiträge zu diesem Gebiet lassen sich in drei Teile gliedern. Der erste Beitrag liegt auf dem Gebiet der ARQ Klassifikation. Die Klassifikation, wie sie sich in der vorhandenen Literatur wiederfindet, ist inkonsistent und basiert zum Teil auf speziellen Decoderrealisierungen. Dies ist jedoch ein falsches Konzept einer Verfahrensklassifikation, da sie auf nur auf Eigenschaften des Verfahrens basieren soll und nicht darauf wie ein spezieller Decoder sie verwertet. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit für ARQ Verfahren eine eindeutige Definition gegeben und sie von anderen Wiederholungsverfahren unterschieden, bevor eine auf Verfahrenseigenschaften basierende Klassifikation eingeführt wird. Der zweite Beitrag dieser Arbeit liegt auf dem Gebiet der ARQ Systemeigenschaften. Von der Vielzahl möglicher Eigenschaften wird hauptsächlich der Durchsatz (Throughput) in der Literatur behandelt, für den es zudem eine Vielzahl unterschiedlicher Definitionen gibt. Aus diesem Grund wird eine einheitliche Definition des Durchsatzes als Mass für die informationstheoretische Leistungsfähigkeit eines ARQ Verfahrens gegeben. Als eine Konsequenz dieser Definition dient die bekannt Kanalkapazität als obere Grenze. Darüber hinaus wird der Durchsatz kaum analytisch behandelt, mit Ausnahme der ineffizienten gedächtnislosen Systeme. In der Arbeit wird, ausgehend von sogenannten Ablehnungswahrscheinlichkeiten, der Durchsatz ermittelt. Neben dem Durchsatz werden andere wichtige Systemeigenschaften, wie die maximale und durchschnittliche Anzahl der Übertragungen, verschiedene Verzögerungen und die effektive Datenrate eingeführt. Diese Eigenschaften werden sukzessive von bereits bestehenden Systemeigenschaften und weiteren Systemparametern hergeleitet und mittels der bereits erwähnten Ablehnungswahrscheinlichkeiten beschränkt. Als letzter Beitrag dieser Arbeit wird das optimale Kombinieren von ARQ Übertragungen zur Vorbereitung auf das ML oder MAP decodieren hergeleitet. Hierbei wird von einer variierenden Abbildungsfunktion der Codewörter auf die Übertragungssymbole ausgegangen.German
Uncontrolled Keywords: ARQ, HARQ, incremental, memory, data rate, repeat, request, throughput, mapper
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
ARQ, HARQ, incremental, memory, data rate, repeat, request, throughput, mapperEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000269
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2692
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Dorsch, Prof. Dr. Bernhard and Jakoby, Prof. Dr. Rolf
Advisors: Dorsch, Prof. Dr. Bernhard
Refereed: 26 September 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/269
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