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Achievable Rates and Coding Strategies for the Two-Way Relay Channel
Schnurr, Clemens
Die vorliegende Arbeit untersucht Übertragungsstrategien für den Zwei-Wege Relais-Kanal. Für diesen Kanal werden neue erreichbare Ratenregionen gezeigt, und es werden Kodierungsstrategien erörtert, mit denen diese Raten erreichbar sind. In der Arbeit werden mehrere Protokolle für die Datenübertragung über einen Zwei-Wege Relais-Kanal vorgestellt und analysiert. Diese basieren auf den bekannten Strategien: Decode-and-Forward und Compress-and-Forward. Im Decode-and-Forward-Protokoll nimmt man an, dass das Relais in der Lage ist, die gesendeten Daten zu dekodieren. Die Arbeit untersucht verschiedene Szenarien für dieses Protokoll, die sich darin unterscheiden, wie die Daten an das Relais übertragen werden. Zu diesem Zweck wird die gesamte Kommunikation in zwei, drei oder vier Phasen unterteilt, in denen jeweils unterschiedliche Knoten senden und empfangen. Für jedes dieser Szenarien kann eine erreichbare Ratenregion angegeben und bewiesen werden. Die Beweise hierfür verwenden zufällige Codes. Dennoch ist es möglich, ein Kodierschema abzuleiten, das für reale Systeme relevant sein könnte. Das Schema ist optimal für Kanäle, die gewisse Symmetrie-Eigenschaften aufweisen. Für allgemeine Kanäle ist die vorgeschlagene Kodierung suboptimal; die Arbeit gewährt jedoch Einsichten, worauf beim Design eines Kodierschemas zu achten ist und durch welche Mechanismen Gewinne bei der Übertragung erzielt werden können. Wenn das Relais nicht dekodieren kann, so besteht die Möglichkeit, den Empfängern eine hinreichend gute Repräsentation des Kanalausgangs am Relais zu übermitteln. Dieser Ansatz, genannt Compress-and-Forward, ermöglicht neue Ratenregionen. Für einige Kanäle ist die so erreichbare Ratenregion größer als die, welche durch Decode-and-Forward erzielt werden kann. In der Arbeit wird eine einfache Compress-and-Forward Strategie in mehreren Schritten erweitert. Im ersten dieser Schritt wird eine komplexere Dekodierstrategie entworfen. Diese Strategie berücksichtigt alle im System auftretenden Abhängigkeiten. Dadurch kann eine größere erreichbare Ratenregion bewiesen werden. Der nächste Schritt zur Erweiterung der Ratenregion berücksichtigt die verschiedenen Informationsflüsse, die im System auftreten können. Dadurch kann die Strategie des Relais flexibel an eine unterschiedliche Qualität der Übertragungskanäle angepasst werden. Dank dieser Anpassungsfähigkeit erreicht dieses Übertragungsprotokoll für allgemeine Kanäle größere Raten im Vergleich zu den bis dahin untersuchten Protokollen. In der Arbeit wird zudem eine Überlagerung von Decode-and-Forward- und Compress-and-Forward-Techniken diskutiert. Durch die Überlagerung kann das Relais einen Teil der gesendeten Nachrichten dekodieren. Die nicht dekodierbare Information wird den Empfängern ähnlich wie im Compress-and-Forward-Fall übermittelt. Durch die Überlagerung von Decode-and-Forward und Compress-and-Forward wird ein Abtausch der Vor- und Nachteile beider Verfahren ermöglicht. Die erreichbaren Ratenregionen für alle vorgestellten Übertragungsstrategien werden in der Arbeit durch ausführliche Beweise hergeleitet. Die Beweise lassen die Mechanismen erkennen, die zu möglichen Gewinnen bei der Kodierung im Zwei-Wege Relais-Kanal führen. In der Arbeit werden diese Mechanismen ausführlich diskutiert; in der Diskussion werden Design-Kriterien abgeleitet, die bei der Entwicklung von Codes zu berücksichtigen sein werden, um hohe Raten über einen Zwei-Wege Relais-Kanal zu erreichen.
This thesis analyzes transmission strategies for the two-way relay channel. New achievable rate regions for this channel are proved and coding strategies are proposed to achieve these new rate regions. We consider several protocols for the two-way relay channel with half duplex nodes which are based on the well known strategies: namely decode-and-forward and compress-and-forward. The decode-and-forward protocol assumes that the relay is able to decode the messages from both terminal nodes. For this protocol several scenarios are considered, which differ in the way the messages are transmitted to the relay. Therefore the overall communication is split into two, three or four phases respectively. For each of these scenarios an achievable rate region is given. The information theoretical proof uses random coding. Nevertheless, a practical coding scheme for the two-phase setup can be derived, which is optimal for certain channels. For general channels, the proposed scheme is suboptimal. Nevertheless, the results provide insight into the question how to design codes and what mechanisms facilitate the gains achievable by using a two-way relay channel. Dropping the assumption that the relay is able to decode the data leads to a new achievable rate region. For the compress-and-forward protocol the output at the relay is compressed and transmitted to the receivers. It turns out that for some channels higher rates can be achieved with a compress-and-forward strategy at the relay as compared to the decode-and-forward approach. A simple compress-and-forward protocol is improved in several steps. First, the achievable rate region is enlarged by a more elaborated decoding procedure. This decoding procedure uses all the known statistical dependencies in the system. Finally the different flows of information occurring in the system are used to propose a protocol which allows to adapt the relaying function more flexible to the channel conditions. Hence for general channels, this strategy can achieve a higher rate compared to the protocols proposed before. Throughout the thesis, all the compress-and-forward protocols are superimposed on a decode-and-forward protocol. As a result, the relay can decode one part of the message. The complementary part of the message is transmitted using the compress-and-forward mechanism. The superposition of decode-and-forward and compress-and-forward allows to balance the advantages and disadvantages of both these protocols. For all the stated achievable rate regions detailed proofs are provided. These proofs give insight into mechanisms that allow for higher rates in the two-way relay channel. The thesis discusses these mechanisms for the proposed protocols and gives insight how a code needs to be designed to achieve the gains.
