University of Oulu

Analysis of near-optimal relaying schemes for wireless tandem and multicast relay networks

Saved in:
Author: Xue, Qiang1,2,3,4
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Communications Engineering
3Centre for Wireless Communications
4University of Oulu, Infotech Oulu
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526210988
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2016
Publish Date: 2016-01-12
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP-Pohjola auditorium (L6), Linnanmaa, on 22 January 2016, at 12 noon
Tutor: Professor Matti Latva-aho
Professor Behnaam Aazhang
Reviewer: Professor Richard Demo Souza
Associate Professor Gustavo Fraidenraich
Opponent: Associate Professor Olav Tirkkonen
Description:

Abstract

This thesis is devoted to studying two wireless relay network models, namely wireless tandem multiple-input-multiple-output (MIMO) relay networks and wireless two-hop multicast relay networks.

Regarding wireless tandem MIMO relay networks, we develop a systematic approach to analyze their fundamental diversity-multiplexing tradeoff (DMT) under the assumption that the relays implement a class of practical full-duplex techniques that enable them to opt for either full-duplex or half-duplex mode. Based on the analysis, we make contribution from the following aspects: First of all, we thoroughly compare the performance of full-duplex and half-duplex mode operations in the framework of wireless tandem relay networks. We find that both full-duplex and half-duplex modes have opportunity to outperform each other. Specifically, for many tandem relay networks, in the low multiplexing gain region, the best relay-mode configuration is to let all the relays operate in half-duplex mode since this relay-mode configuration achieves the best diversity gain in the low multiplexing gain region. However, in the high multiplexing gain region, the best diversity gain is usually achieved by switching some relays to full-duplex mode. Furthermore, we study how residual interference at relays working in full-duplex mode affects the DMT of a tandem network. We find that residual interference not only derogates the performance of full-duplex mode, but also affects the optimal power allocation of the network. Specifically, if residual interference is zero or has a sufficiently low power level, a linear power allocation scheme can achieve the optimal DMT of the network. Otherwise, the optimal DMT is achieved by a nonlinear power allocation scheme. Finally, the DMT analysis illustrates an effective principle to deal with general multi-hop wireless networks, which is to break them down into small scale subnetworks with certain key structures. Then, studying the general multi-hop wireless networks essentially becomes studying those small scale subnetworks and the relationship among them.

Regarding wireless two-hop multicast relay networks, we focus on a case study where a single source multicasts to two destinations through the assistance of two relays. We propose and analyze the performance of a partial decode-and-forward protocol for the network, which includes the full decode-and-forward protocol as a special case and achieves a better performance in general. Specifically, we prove that the achievable rate of the partial decode-and-forward protocol can either reach arbitrarily close to the cut-set upper bound of the network or reach within 1 bit/s/Hz to that, asymptotically with respect to the transmit power. We also show that the partial decode-and-forward protocol can achieve the optimal DMT of the network. Then, we discuss the perspective of implementing the partial decode-and-forward strategy to more general multicast relay networks.

see all

Tiivistelmä

Tämä opinnäytetyö tutkii kahta langatonta välitysverkkomallia, nimittäin langatonta tandem multiple-input-multiple-output (MIMO) välitysverkkoa ja langatonta monilähetysvälitysverkkoa kahdelle hypylle.

Kehitämme systemaattisen lähestymistavan diversiteetti-multipleksointi vaihtokaupan (DMT) analysointiin langattomiin tandem MIMO välitysverkkoihin, olettaen välittäjien käyttävän käytännöllisiä full-duplex lähetystekniikoita, jotka mahdollistavat valinnan joko full-duplex tai half-duplex lähetystilan välillä. Analyysin perusteella kontribuoimme seuraavilla tavoilla: Ensinnäkin, vertailemme perusteellisesti full-duplex sekä half-duplex lähetystiloja langattomissa tandem välitysverkoissa. Huomaamme, että molemmat full-duplex ja half-duplex lähetystilat voivat suoriutua toinen toistaan paremmin. Tarkemmin sanoen, monissa tandem välitysverkoissa silloin kun multipleksoinnin hyöty on alhainen, paras välitystapa on antaa kaikkien välittäjien käyttää half-duplex lähetystilaa, koska silloin saavutetaan paras diversiteettilisäys. Toisaalta, kun multipleksointilisäys on suuri, paras diversiteettilisäys saadaan yleensä asettamalla jotkin välittäjät full-duplex lähetystilaan. Lisäksi, tutkimme kuinka full-duplex lähetystilaa käyttävien välittäjien jäljelle jäävä interferenssi vaikuttaa tandemverkon DMT:aan. Huomaamme, että jäljelle jäävä interferenssi vähentää full-duplex mallin tehokkuutta ja lisäksi vaikuttaa optimaaliseen tehonjakamiseen verkossa. Tarkemmin sanoen, jos jäljelle jäävä interferenssin tehotaso on nolla tai tarpeeksi lähellä sitä, lineaarisella tehojaolla voi saavuttaa verkon optimaalisen DMT:n. Muutoin, optimaalinen DMT saavutetaan epälineaarisella tehojaolla. Lopuksi, DMT analyysi havainnollistaa tehokkaan periaatteen yleisluontoisten monihyppyverkkojen käsittelemiseen, eli verkon jakamisen pienempiin osiin erilaiin avainrakenteisiin. Tämän jälkeen yleisluntoisten langattoimen monihyppyverkkojen tutkiminen tapahtuu tutkimalla näitä pieniä osia ja niiden välisiä vuorovaikutussuhteita.

Langattomaan kahden hypyn monilähetysvälitysverkkon osalta keskitymme tapaustutkimukseen, jossa yksi lähettäjä monilähettää kahdelle vastaanottajalle kahden välittäjän avulla. Ehdotamme tälle verkolle osittaista decode-and-forward protokollaa, joka sisältää täyden decode-and-forward protokollan erikoistapauksena ja saavuttaa yleisesti tätä protokollaa paremman tehokkuuden. Tarkemmin sanoen, todistamme että tällä protokollalla siirtonopeus lähetystehon suhteen joko lähenee asymptoottisesti verkon cut-set ylärajaa mielivaltaisen lähelle tai saavuttaa sen 1 bit/s/Hz sisään. Osoitamme myös, että osittainen decode-and-forward protokolla voi saavuttaa verkon optimaalisen DMT:n. Tämän jälkeen, käsittelemme osittaisen decode-and-forward strategian impelentointia yleisluontoisille monilähetysvälitysverkoille.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1098-8
ISBN Print: 978-952-62-1097-1
Issue: 560
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2016. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.