JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

The institute of electrical and electronics engineers (IEEE) 802.11 standard specifies widely used technology for wireless local area networks (WLAN). Standard specifies high-performance physical and media access control (MAC) layers for a distributed network but lacks an effective hybrid automatic repeat request (HARQ). Currently, the standard specifies forward error correction (FEC), error detection (ED), and automatic repeat request (ARQ), but in case of decoding errors, the previously transmitted information is not used when decoding the retransmitted packet. This is called Type 1 HARQ. Type 1 HARQ uses received energy inefficiently, but the simple implementation makes it an attractive solution. Unfortunately, research applying more sophisticated HARQ schemes on top of IEEE 802.11 is limited.

In this Master’s Thesis, a novel HARQ technology based on packet retransmissions that can be decoded in a turbo-like manner, keeping as much as possible compatibility with vanilla 802.11, is proposed. The proposed technology is simulated with both the IEEE 802.11 code and with the robust, efficient and smart communication in unpredictable environments (RESCUE) code. An additional interleaver is added before the convolutional encoder in the proposed technology, interleaving either the whole frame or only the payload to enable effective iterative decoding. For received frames, turbo-like iterations are done between initially transmitted packet copy and retransmissions. Results are compared against the non-iterative combining method maximizing signal-to-noise ratio (SNR), maximum ratio combining (MRC). The main design goal for this technology is to maintain compatibility with the 802.11 standard while allowing efficient HARQ. Other design goals are range extension, higher throughput, and better performance in terms of bit error rate (BER) and frame error rate (FER).

This technology can be used for range extension at low SNR range and may provide up to 4 dB gain at medium SNR range compared to MRC. At high SNR, technology can reduce the penalty from retransmission allowing higher average modulation and coding scheme (MCS). However, these gains come with the cost of computational complexity from the iterative decoding. The main limiting factors of the proposed technology are decoding errors in the header and the scrambler area, and resource-hungry-processing. In simulations, perfect synchronization and packet detection is assumed, but in reality, especially at low SNR, packet detection and synchronization would be challenging.

802.11 pakettien iteratiivinen dekoodaus lähetysten välillä

Tiivistelmä

IEEE 802.11-standardi määrittelee yleisesti käytetyn teknologian langattomille lähiverkoille. Standardissa määritellään tehokas fyysinen- ja verkkoliityntäkerros hajautetuille verkoille, mutta siitä puuttuu tehokas yhdistetty automaattinen uudelleenlähetys. Nykyisellään standardi määrittelee virheenkorjaavan koodin, virheellisen paketin tunnistuksen sekä automaattisen uudelleenlähetyksen, mutta aikaisemmin lähetetyn paketin informaatiota ei käytetä hyväksi uudelleenlähetystilanteessa. Tämä menetelmä tunnetaan tyypin yksi yhdistettynä automaattisena uudelleenlähetyksenä. Tyypin yksi yhdistetty automaattinen uudelleenlähetys käyttää vastaanotettua signaalia tehottomasti, mutta yksinkertaisuus tekee siitä houkuttelevan vaihtoehdon. Valitettavasti edistyneempien uudelleenlähetysvaihtoehtojen tutkimusta 802.11-standardiin on rajoitetusti.

Tässä diplomityössä esitellään uusi yhdistetty uudelleenlähetysteknologia, joka pohjautuu pakettien uudelleenlähetykseen, sallien turbo-tyylisen dekoodaamisen säilyttäen mahdollisimman hyvän taaksepäin yhteensopivuutta alkuperäisen 802.11-standardin kanssa. Tämä teknologia on simuloitu käyttäen sekä 802.11- että nk. RESCUE-virheenkorjauskoodia. Teknologiassa uusi lomittaja on lisätty konvoluutio-enkoodaajan eteen, sallien tehokkaan iteratiivisen dekoodaamisen, lomittaen joko koko paketin tai ainoastaan hyötykuorman. Vastaanotetuille paketeille tehdään turbo-tyyppinen iteraatio alkuperäisen vastaanotetun kopion ja uudelleenlähetyksien välillä. Tuloksia vertaillaan eiiteratiiviseen yhdistämismenetelmään, maksimisuhdeyhdistelyyn, joka maksimoi yhdistetyn signaali-kohinasuhteen. Tärkeimpänä suunnittelutavoitteena tässä työssä on tehokas uudelleenlähetysmenetelmä, joka ylläpitää taaksepäin yhteensopivuutta IEEE 802.11-standardin kanssa. Muita tavoitteita ovat kantaman lisäys, nopeampi yhteys ja matalampi bitti- ja pakettivirhesuhde.

Kehitettyä teknologiaa voidaan käyttää kantaman lisäykseen matalan signaalikohinasuhteen vallitessa ja se on jopa 4 dB parempi kohtuullisella signaalikohinasuhteella kuin maksimisuhdeyhdistely. Korkealla signaali-kohinasuhteella teknologiaa voidaan käyttää pienentämään häviötä epäonnistuneesta paketinlähetyksestä ja täten sallien korkeamman modulaatio-koodiasteen käyttämisen. Valitettavasti nämä parannukset tulevat kasvaneen laskennallisen monimutkaisuuden kustannuksella, johtuen iteratiivisesta dekoodaamisesta. Isoimmat rajoittavat tekijät teknologian käytössä ovat dekoodausvirheet otsikossa ja datamuokkaimen siemenessä. Tämän lisäksi käyttöä rajoittaa resurssisyöppö prosessointi. Simulaatioissa oletetaan täydellinen synkronisointi, mutta todellisuudessa, erityisesti matalalla signaali-kohinasuhteella, paketin tunnistus ja synkronointi voivat olla haasteellisia.