Diana Pamela Moya Osorio Spectrally Efficient Schemes for Amplify-and-Forward Relay Networks

176 Pages·2015·2.15 MB·English

Diana Pamela Moya Osorio
Spectrally Efficient Schemes for
Amplify-and-Forward Relay Networks
Esquemas Espectralmente Eficientes para Redes com Retransmissores do Tipo
Amplifica-e-Encaminha
Campinas
2015
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Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
Diana Pamela Moya Osorio
Spectrally Efficient Schemes for Amplify-and-Forward Relay Networks
Esquemas Espectralmente Eficientes para Redes com Retransmissores do Tipo
Amplifica-e-Encaminha
Dissertation presented to the School of Electrical and
Computer Engineering at the University of Campinas
in partial fulfillment of the requirements for obtaining
the Doctor degree in Electrical Engineering, in the
area of Telecommunications and Telematics.
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica
e de Computação da Universidade Estadual de Cam-
pinas como parte dos requisitos exigidos para a
obtençãodotítulodeDoutoraemEngenhariaElétrica,
na Área de Telecomunicações e Telemática.
Advisor/Orientador: José Cândido Silveira Santos Filho.
Este exemplar corresponde à versão
final da tese defendida pela aluna Diana
Pamela Moya Osorio, e orientada pelo
Prof. Dr. José Cândido Silveira Santos
Filho.
Campinas
2015
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Abstract
Cooperative Communications have emerged as a promising technique to combat the
deleterious effects of fading and boost the capacity and coverage of next generation
wireless communication networks. By allowing different nodes in the network to
share their antennas, this technique emulates a distributed multiple-input multiple-
output (MIMO) system, thus providing the benefits of such system to networks in
which the deployment of multiple antennas may be unfeasible.
Inthissense, avarietyofnewchallenges haveariseninordertoexploit techniques
that permit to achieve the full gains of cooperative relaying. A main limitation to be
overcome is the use of the conventional half-duplex (HD) transmission mode, which
produces a loss in the spectral efficiency due to the requirement of two channel uses
per transmission. This thesis aims to advance in this field, by contributing with
spectrally efficient techniques for cooperative relay networks based on the amplify-
and-forward (AF) relaying protocol, which is attractive for its simplicity and ease
of implementation. In particular, two strategies have been tackled. The first one
addresses the HD transmission mode, in which the spectral efficiency is improved
by using distributed link selection schemes. Such schemes avoid the continuous use
of the relaying link by preselecting for transmission that link –direct or relaying–
with the best channel conditions. In addition, the distributed implementation saves
feedback overhead due to the requirements of channel state information (CSI). For
this strategy, the following issues are investigated: multiple users, multiple relays,
and a multi-antenna source, for both types of AF, i.e., variable gain and fixed gain;
two different relay selection techniques for variable-gain AF in the multiuser and
multirelay scenario; and the impact of outdated CSI due to feedback delay over
the classical three-node system (source, relay, and destination) for variable-gain AF.
The analysis is addressed in terms of outage probability and spectral efficiency. The
second strategy considers the use of the full-duplex (FD) transmission mode, which
has gained increasing attention in the last years due to the recent advances in mech-
anisms for mitigating the self-interference in FD transceivers caused by the leakage
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of the transmitted signal into the receiver side. In particular, our contributions focus
on the variable-gain AF protocol, in which the direct link between source and desti-
nation is also employed to convey information. Maximal-ratio combining (MRC) is
carried out at the destination to merge the signals coming from source and relay. It
is considered that the relay undergoes a residual self-interference due to imperfec-
tions in the cancellation techniques. First, the outage performance is investigated
for the basic three-node system model. Then, an adaptive mode-selection scheme
is proposed that opportunistically selects, according to the instantaneous channel
conditions, among the following options: direct transmission with no cooperation,
cooperative transmission in HD mode with MRC at the destination, and cooperative
transmission in FD mode with MRC at the destination. In this scheme, an energy
normalization per block is assumed, and the analysis is addressed in terms of outage
performance and energy efficiency.
Key-words: cooperative communications; distributed link selection; energy effi-
ciency; full duplex; half duplex; outage probability; relaying protocols; spectral
efficiency.
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Resumo
Ascomunicações cooperativasemergiramcomouma técnica promissora paracombater osefeitos
prejudiciais do fenômeno de desvanecimento e ampliar a capacidade e a cobertura das futuras
gerações de redes de comunicações sem fio. Essa técnica permite que diferentes nós da rede
possam compartilhar suas antenas, emulando um sistema com múltiplas entradas e múltiplas
saídas (MIMO) e proporcionando, assim, os benefícios de tal sistema a redes em que a implan-
tação de múltiplas antenas resulta inviável. Nesse sentido, uma variedade de novos desafios tem
surgido no intuito de explorar estrategias que permitam obter os ganhos plenos da comunicação
cooperativa. Uma limitação importante a ser superada consiste na utilização do convencional
modo de transmissão, half-duplex (HD), que acarreta uma perda na eficiência espectral devido
à exigência de dois usos de canal por cada transmissão. A presente tese visa avançar nesse
campo, contribuindo com técnicas espectralmente eficientes para redes cooperativas baseadas
em retransmissores (relay), com ênfase no protocolo amplifica-e-encaminha (AF), o qual tem se
mostrado atraente por sua simplicidade e facilidade de implementação. Em particular, duas es-
tratégias são abordadas. A primeira delas contempla o modo de transmissão HD, cuja eficiência
espectral é melhorada através da utilização de esquemas distribuídos de seleção de enlace. Tais
esquemas evitam o uso contínuo do enlace de relays, pré-selecionando para cada transmissão
aquele enlace –direto ou relaying– que apresenta as melhores condições de canal. Além disso, a
implementação distribuída conduz a uma economia na sobrecarga de realimentação decorrente
dos requisitos de informação do estado do canal (CSI). Para essa primeira estratégia, são in-
vestigados os seguintes cenários: ambiente com múltiplos usuários, múltiplos relay e múltiplas
antenas na fonte para ambos os tipos de AF, ou seja, de ganho variável e de ganho fixo; com-
paração de duas técnicas de seleção de relay para AF de ganho variável com múltiplos usuários
e múltiplos relays; e o impacto da CSI desatualizada devido a variações no estado do canal
entre o momento de seleção de enlace e o momento de transmissão, para um sistema clássico de
três nós (fonte, relay e destino) com o protocolo AF de ganho variável. A análise é efetuada em
termos da probabilidade de outage e da eficiência espectral. A segunda estratégia considera o
uso do modo de transmissão full-duplex (FD), o qual tem ganhado força nos últimos anos devido
aos avanços nos mecanismos para mitigar a autointerferência produzida em transceptores FD
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por conta da fuga de sinal do transmissor para o receptor. Particularmente, as contribuições
se concentram no protocolo AF de ganho variável cujo enlace direto entre a fonte e o destino é
também utilizado para transportar informação. Uma combinação por razão máxima (MRC) dos
sinais vindos da fonte e do relay é realizada no receptor. Considera-se que o relay é afetado por
interferência residual, produto das imperfeições nas técnicas de cancelamento de autointerferên-
cia. Em primeira instância, o desempenho em termos da probabilidade de outage é investigado
para o modelo básico do sistema de três nós. Posteriormente, um esquema de seleção de modo
adaptativo é proposto, que permite selecionar de forma oportunista, de acordo com as condições
instantâneas do canal, uma das seguintes opções de transmissão: direta sem cooperação, coop-
erativa em modo HD com MRC no destino, e cooperativa em modo FD com MRC no destino.
Nesse esquema, considera-se uma normalização de energia por bloco e a análise é efetuada em
termos da probabilidade de outage e da eficiência energética.
Palavras-chave: comunicações cooperativas; eficiência energética; eficiência espectral; full du-
plex; half duplex; probabilidade de outage; protocolos de relay; seleção distribuída de enlace.
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