Physical-Layer Cooperation in Coded OFDM Relaying Systems

Author: M. Wu
Abstract:

Heutige Mobilkommunikationssysteme erfordern eine zunehmende Erhöhung der Datenrate und weite Abdeckung von großen Bereichen. Ein vielversprechender Ansatz, um dieses Ziel zu erreichen, ist die Anwendung kooperativen Kommunikationssysteme. Die Einführung von Zwischenknoten, sogenannte Relays, ermöglicht die Unterstützung bei Übertragungen zwischen Endgeräten durch die Verarbeitung und Weiterleitung der Empfangsnachricht an Relays. Hierdurch kann der Wegverlust zwischen der Quelle und dem Ziel gemildert werden. Eine wichtige Limitation ist die Halbduplexbeschränkung, die es dem Relay nicht erlaubt gleichzeitig über gleiche physikalische Resourcen zu senden und zu empfangen. Ohne weitere Maßnahmen führt diese Beschränkung zu einer Halbierung der spektralen Effizienz, welches aber mit Hilfe von zweiphasigem Zwei-Wege Relaying umgangen werden kann. Weiterhin kann eine Implementierung von mehrere Antennen an einem Relay, wie z.B. einem günstigen drahtlosen Sensorknoten nicht möglich sein. Dies führt dazu das die Anwendung von Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Techniken nicht direkt möglich sind. Werden jedoch mehrere Relays als Cluster behandelt, kann trotz dessen ein virtuelles Antennenarray gebildet werden, um MIMO Techniken in einer verteilten Weise durchzuführen.

Diese Arbeit zielt darauf ab, effiziente Ein-Weg und Zwei-Wege Relaysschemata zu entwerfen. Insbesondere werden bestehende Schemata aus der Literatur verbessert und neue Schemata mit Schwerpunkt auf kodierten orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) entwickelt. Von besonders großem Interesse ist die Anwendung der physikalischen Netzwerk Codierung (PLNC) für die zweiphasige Zwei-Wege Relaying. Hierbei wird in der ersten Phase eine gemeinsame Netzwerk codierte Nachricht für alle beteiligten Nutzer aus dem überlagerten Empfangssignal am Relay unter Verwendung von PLNC Schemata abgeschätzt, welche dann in der zweiten Phase verteilt wird. Alle Schemata werden auf Grundlage einer Transinformationsanalyse untersucht und ihre Leistungsfähigkeit wird durch eine neu vorgeschlagene Phasenkontrollstrategie verbessert. Eine Leistungsverschlechterung durch im System auftretende Asynchronitäten wird analysisert und Verfahren in Abhängigkeit von den verschiedenen PLNC Schemata zur Milderung werden vorgeschlagen. Neue Kooperationsschemata bei der Anwendung von mehreren Relays werden aufgezeigt. Eine Erleichterung der Übetragung kann durch den Informationsaustausch innerhalb des Relaysclusters und der Anwendung von verteilten MIMO-Empfang erreicht werden. Zusätzlich werden intelligente Signalisierungsansätze vorgestellt, die Kooperation auf verschiedenen Ebenen ermöglichen. Hierbei wird der Kooperationsaufwand in der Systemleistungsbewertung ausreichend berücksichtigt.

Document type: Ph.D. Thesis
Publication: Shaker Verlag, ISBN 978-3-8440-5625-9, Bremen, Germany, December 2017
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