Spectrally Efficient Bidirectional Decode-and-Forward Relaying for Wireless Networks

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.