Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1704
Main Title: Spectrally Efficient Bidirectional Decode-and-Forward Relaying for Wireless Networks
Translated Title: Spektral effiziente Dekodier-und-Weiterleitungs-Protokolle für bidirektionale Relaiskommunikation in drahtlosen Netzwerken
Author(s): Oechtering, Tobias
Advisor(s): Boche, Holger
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Relaiskonzepte werden in Zunkuft in drahtlosen Netzwerken eine zentrale Rolle spielen. In dieser Dissertation wird ein Netzwerk mit drei Stationen betrachtet, in welchem zwei Stationen mittels einer Relaisstation miteinander kommunizieren. Wir untersuchen ein Zweiphasenprotokoll ohne Rückkopplung, in dem die Relaisstation die Nachrichten für beide Richtungen gleichzeitig dekodiert und weiterleitet. Damit kann der spektrale Verlust, verursacht durch halbduplexe Stationen in unidirektionalen Protokollen, kompensiert werden. Im ersten Abschnitt geht es um schichtübergreifende Konzepte für die bidirektionale Relaiskommunikation basierend auf dem Prinzip der Superpositionskodierung. Die Betrachtungen werden für die festgelegte und optimale Zeitaufteilung der Phasen durchgeführt. Eine ausführliche Untersuchung der Kombinatorik der erreichbaren Ratenregion für Stationen mit einer Antenne erlaubt es uns die Ratenpaare, bei denen die Summe der gewichteten Raten maximiert wird, explizit zu bestimmen. Diese Untersuchungen werden am Beispiel der paritätischen und der optimalen Zeitaufteilung ausgeführt. Die optimalen Ratenpaare werden im Weiteren für den Entwurf einer durchsatzoptimalen Ressourcenallokationsstrategie und für ein Relaisauswahlkriterium in einem Netzwerk mit N Relaisstationen verwendet. Dabei ist es vorteilhaft, die abwechselnde Nutzung verschiedener Relaisstationen zu erlauben. Außerdem stellen wir fest, dass die Summe eines jeden Ratenpaares auf dem Rand der ergodischen Ratenregion für unabhängige und identisch rayleighverteilte Schwundkanäle asymptotisch mit log(log(N)) wächst. Als nächstes betrachten wir den Fall, dass die Relaisstation eine Nachricht zusätzlich zur bidirektionalen Relaiskommunikation an beide Stationen übeträgt. Es zeigt sich, dass es immer optimal ist die Relaisnachricht zuerst zu dekodieren. Die gemeinsame Ressourcenallokation verbessert die Gesamteffizienz und ermöglicht einen neuen Ratenabtausch. Darüber hinaus charakterisieren und diskutieren wir das gemeinsame Summenratenmaximum beider Routingaufgaben. Anschließend untersuchen wir die erreichbaren Ratenregionen der bidirektionalen Relaiskommunikation zwischen Stationen mit mehreren Antennen. Wir spezifizieren die optimale Sendestrategie und zeigen, dass die Summe eines jeden Ratenpaares auf dem Rand der erreichbaren Ratenregion linear gemäß der räumlichen Dimension des Vektorkanals und der Zeitaufteilung der Phasen ansteigt. Im zweiten Abschnitt beweisen wir eine optimale Kanalkodierungsstrategie für den bidirektionalen Broadcastkanal mit einem endlichen Alphabet. Dabei werden erreichbare Raten bezüglich der maximalen Fehlerwahrscheinlichkeit betrachtet. Beim Kodierungssatz folgen wir der Philosophie der Netzwerkkodierung, die besagt, dass sich Informationsflüsse nicht wie Flüssigkeiten verhalten. Im abschließenden Resümee geben wir einen Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten und präsentieren Beispiele wie bidirektionale Relaiskommunikation in drahtlose Netzwerke integriert werden kann.
Relaying concepts will play a central role in future wireless networks. In this thesis we consider a three-node network where two nodes communicate with each other by the support of a relay node. We study a two-phase decode-and-forward bidirectional relaying protocol without feedback. Bidirectional relaying has the ability to compensate the spectral loss due to the half-duplex constraint of nodes in wireless communications. In the first part we study cross-layer design aspects of bidirectional relaying using superposition encoding at the relay node. For the two phases we consider the fixed and optimal time division case. For single-antenna nodes an intensive study of the combinatorial structure of the achievable rate region allows us to characterize the rate pairs which maximize the weighted rate sum for the equal and fixed time division case in closed form. These are used for the design of a throughput optimal resource allocation policy based on the backpressure strategy and to derive a relay selection criterion for routing in network with N relay nodes. It shows that it is beneficial to allow time-sharing between the usage of relay nodes. We see that the sum of any rate pair on the boundary of the ergodic rate region for independent and identical distributed Rayleigh fading channels grows asymptotically with log(log(N)). Then we add a relay multicast to the bidirectional relay communication. The joint resource allocation of two routing tasks improves the overall efficiency and enables new rate tradeoffs. It shows that it is always optimal to decode the relay message first. Furthermore, we characterize and discuss the total sum-rate maximum of both routing tasks. After that we study the achievable rate region of bidirectional relaying between nodes equipped with multiple antennas. Therefore, we specify the optimal transmit strategy and show that the achievable rate region scales linearly with respect to the spatial degrees of the vector channels and time division. In the second part we find an optimal channel coding strategy for the bidirectional broadcast channel considering finite size alphabets. Thereby, we consider achievable rates with respect to the maximal probability of error. For the coding theorem we follow the philosophy of network coding and regard information flows not as “fluids”. In the final conclusion we give an outlook on future research work and show how the bidirectional relaying protocol can be integrated in wireless networks.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16773
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2001
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1704
Exam Date: 9-Oct-2007
Issue Date: 13-Nov-2007
Date Available: 13-Nov-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Netzwerkcodierung
Relais
Schichtübergreifendes Design
Spektrale Effizienz
Zweiweg-Kommunikation
Cross-layer design
Network coding
Relay
Spectral efficiency
Two-way communication
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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