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Multiple-antenna two-hop relaying for bi-directional transmission in wireless communication systems

Unger, Timo :
Multiple-antenna two-hop relaying for bi-directional transmission in wireless communication systems.
TU Darmstadt / Fachgebiet Kommunikationstechnik
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Multiple-antenna two-hop relaying for bi-directional transmission in wireless communication systems
Language: English
Abstract:

In today’s wireless communication systems, usually the point-to-point transmission technique is used for the transmission between two nodes S1 and S2. If a point-topoint transmission between S1 and S2 is not possible, e.g., due to shadowing or limited transmit powers, two-hop relaying is a promising technique, in which the transmission between S1 and S2 is assisted by an intermediate relay station (RS). In this thesis, non-regenerative two-hop relaying is considered which means that the received signals at the RS are neither decoded nor re-encoded, but only linear signal processing (SP) is employed at the RS. Just recently, two-hop relaying has been investigated in conjunction with multiple-antenna techniques which promises significant performance gains in terms of achievable data rates. In this work, multiple antennas are used at S1, S2 and the RS in order to perform spatial multiplexing by adaptive beamforming (BF). This thesis investigates two different two-hop relaying schemes for bi-directional transmission between S1 and S2, namely one-way and two-way relaying. In one-way relaying due to the half-duplex constraint, one time slot is required for the first hop transmission from S1 to the RS, and another time slot is required for the second hop transmission from the RS to S2. For bi-directional transmission, another two time slots are required for the transmission from S2 via the RS to S1 resulting in a requirement of four time slots in total. Thus, compared to a bi-directional point-to-point transmission between S1 and S2, which requires only one time slot for the transmission from S1 to S2 and another time slot for the transmission from S2 to S1, the number of required time slots is doubled in one-way relaying. In case of bi-directional transmission, the recently proposed two-way relaying scheme is a very promising scheme in terms of resource efficiency since it requires only two time slots. In two-way relaying, S1 and S2 transmit their signals simultaneously in the first time slot to the RS which retransmits a superposition of the signals of S1 and S2 in the second time slot. Thus, the received signal at each node contains the signal which has been transmitted by the respective receive node itself. If sufficient channel state information (CSI) is available at the receive node, it can determine the desired signal by subtracting the own transmitted signal. This subtraction is termed cancellation of duplex interference (CDI). In this work, a unified system model for one-way and two-way relaying is developed. For both relaying schemes, it is of particular interest how the sum rate of the system can be maximized by adaptive BF. The achievable sum rates depend considerably on the system capabilities, which are defined by the CSI availability and the SP capabilities at S1, S2 and the RS. Since the system capabilities influence the applicable adaptive BF algorithms, novel sum rate maximization problems are identified and classified by a framework consisting of four different cases of system capabilities: • A system with full capabilities, in which S1 and S2 perform adaptive BF and CDI, and the RS performs adaptive BF. • A system with limited capabilities at the RS, in which only S1 and S2 perform adaptive BF and CDI. • A system with limited capabilities at S1 and S2, in which only the RS performs adaptive BF. • A system with local CSI at S1 and S2, in which S1 and S2 perform CDI, and only the RS performs adaptive BF. The different cases are considered for one-way and two-way relaying, and the respective maximum sum rates are determined. In one-way relaying, an analytical BF algorithm for maximizing the sum rate in the system with full capabilities is reviewed. For the other new cases of system capabilities in one-way and two-way relaying, numerical solutions to the sum rate maximization problems are given. For the systems with limited capabilities at the RS in one-way and two-way relaying, new sub-optimum analytical BF algorithms with close-to-optimum performances are proposed. It is shown that the maximum spatial multiplexing gain corresponds to the minimum of the number of antennas at the RS and the number of antennas at S1 and S2 in one-way relaying, and to the minimum of the number of antennas at the RS and twice the number of antennas at S1 and S2 in two-way relaying. Furthermore, it is demonstrated that the sum rate in two-way relaying is almost twice as high as the sum rate in one-way relaying. Beside the adaptive BF algorithms maximizing the sum rate, other adaptive BF algorithms minimizing the mean square error (MSE), minimizing the MSE under the zero forcing constraint, and maximizing the signal-to-noise ratio are known to provide reasonable performance in point-to-point transmission. Since adaptive BF only performed at nodes S1 and S2 has already been investigated in several works regarding point-to-point transmission, in this thesis special attention is paid to the recent field of systems in which adaptive BF is only performed at the RS. For such systems in one-way as well as in two-way relaying, the aforementioned optimization problems, are newly formulated, solved, and analyzed. Promising performance results are especially obtained by the adaptive BF algorithm minimizing the MSE. In order to obtain CSI in the different cases of system capabilities, novel pilot transmission schemes and the respective channel estimation algorithms are developed. Furthermore, the impact of imperfect CSI on the performance of two-way relaying is considered. Finally, two scenarios with multiple nodes are introduced exemplarily in order to give a first insight into the problems arising from multiple access in two-way relaying.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In derzeitigen drahtlosen Kommunikationssystemen wird gewöhnlich die sogenannte Punkt-zu-Punkt Übertragungstechnik verwendet. In Fällen, in denen diese Technik eine direkte Übertragung zwischen zwei Knoten S1 und S2 nicht ermöglicht, da beispielsweise eine Abschattung des Empfängers durch Hindernisse oder eine zu geringe Sendeleistung vorliegen, stellen Zwei-Hop Relaisverfahren eine vielversprechende Alternative dar. Bei den Zwei-Hop Relaisverfahren wird die Übertragung zwischen S1 und S2 durch eine zwischengeschaltete Relaisstation (RS) unterstützt. In dieser Arbeit werden nicht-regenerative Zwei-Hop Relaisverfahren betrachtet, wobei nicht-regenerativ bedeutet, dass das Empfangssignal an der RS weder dekodiert noch neu kodiert wird, sondern nur lineare Signalverarbeitung (SV) an der RS angewendet wird. Erst seit kurzem werden Zwei-Hop Relaisverfahren auch in Verbindung mit Mehrantennenverfahren untersucht, wodurch erhebliche Gewinne bezüglich der erreichbaren Datenraten erwartet werden. In dieser Arbeit werden an S1, S2 und der RS mehrere Antennen benutzt, um räumliche Multiplexverfahren mit adaptiver Strahlformung (SF) verwenden zu können. Die vorliegende Arbeit untersucht zwei verschiedene Zwei-Hop Relaisverfahren für die bidirektionale Übertragung zwischen S1 und S2, welche Ein-Weg und Zwei-Wege Relaisverfahren genannt werden. Beim Ein-Weg Relaisverfahren werden wegen des Halbduplexbetriebes ein Zeitschlitz für die Übertragung von S1 zur RS und ein weiterer Zeitschlitz für die Übertragung von der RS zu S2 benötigt. Aufgrund der bidirektionalen Übertragung werden zwei weitere Zeitschlitze für die Übertragung von S2 über die RS zu S1 benötigt. Vergleicht man mit der bidirektionalen Punkt-zu-Punkt Übertragung zwischen S1 und S2, bei der nur ein Zeitschlitz für die Übertragung von S1 zu S2 und ein weiterer Zeitschlitz für die Übertragung von S2 zu S1 benötigt werden, wird beim Ein-Weg Relaisverfahren insgesamt die doppelte Menge an Zeitschlitzen benötigt. Das kürzlich vorgestellte Zwei-Wege Relaisverfahren ist bei bidirektionaler Übertragung sehr vielversprechend, da es nur zwei Zeitschlitze benötigt. Bei diesem Relaisverfahren senden S1 und S2 ihr jeweiliges Signal gleichzeitig im ersten Zeitschlitz zur RS, die dann die Summe der Signale von S1 und S2 im zweiten Zeitschlitz zurücksendet. Somit enthält das Empfangssignal an jedem Knoten auch das Signal, das vom jeweiligen Empfangsknoten selbst gesendet wurde. Falls ausreichend Kanalzustandsinformation (KZI) am Empfangsknoten verfügbar ist, kann dieser das gewünschte Signal bestimmen, indem er das eigene Signal subtrahiert. Dieses Verfahren wird Subtraktion der Duplexstörung (SDS) genannt. In dieser Arbeit wird ein einheitliches Systemmodell für das Ein-Weg und Zwei Wege Relaisverfahren entwickelt. Für beide Relaisverfahren ist es von besonderem Interesse, auf welche Art adaptiver SF die Summenrate des Systems maximiert werden kann. Die erzielbare Summenrate hängt wesentlich von den Systemfähigkeiten ab, die durch die Verfügbarkeit von KZI und die SV Fähigkeiten an S1, S2 und der RS definiert werden. Da die Systemfähigkeiten die anwendbaren SF Algorithmen beeinflussen, werden neue Summenraten-Maximierungsprobleme identifiziert. Zur Einordnung dieser Probleme werden folgende vier Fälle von Systemfähigkeiten unterschieden: • Ein System mit unbeschränkten Fähigkeiten, in dem S1 und S2 adaptive SF und SDS anwenden und die RS adaptive SF anwendet. • Ein System mit eingeschränkten Fähigkeiten an der RS, in dem nur S1 und S2 adaptive SF und SDS anwenden. • Ein System mit eingeschränkten Fähigkeiten an S1 und S2, in dem nur die RS adaptive SF anwendet. • Ein System mit lokaler KZI, in dem S1 und S2 SDS anwenden und nur die RS adaptive SF anwendet. Diese verschiedenen Fälle werden für das Ein-Weg und Zwei-Wege Relaisverfahren betrachtet und die entsprechenden maximalen Summenraten werden bestimmt. Für das Ein-Weg Relaisverfahren wird ein bereits bekannter analytischer SF Algorithmus zur Summenratenmaximierung in dem System mit unbeschränkten Fähigkeiten analysiert. Für alle anderen neu auftretenden Fälle werden numerische Lösungen der Probleme präsentiert. Für das System mit eingeschränkten Fähigkeiten an der RS werden neue suboptimale analytische SF Algorithmen mit einem nahezu optimalen Ergebnis vorgeschlagen. Es wird gezeigt, dass der maximale räumliche Multiplexgewinn für das Ein-Weg Relaisverfahren dem Minimum der Anzahl der Antennen an der RS und der Anzahl der Antennen an S1 und S2 entspricht, und für das Zwei-Wege Relaisverfahren dem Minimum der Anzahl der Antennen an der RS und der doppelten Anzahl der Antennen an S1 und S2. Desweiteren wird gezeigt, dass im Zwei-Wege Relaisverfahren die Summenrate beinahe doppelt so hoch ist wie im Ein-Weg Relaisverfahren. Neben den adaptiven SF Algorithmen, die die Summenrate maximieren, sind andere adaptive SF Algorithmen, die den mittleren quadratischen Fehler (MQF) minimieren, den MQF unter der Zero-Forcing Bedingung minimieren und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis maximieren, dafür bekannt, dass sie gute Ergebnisse für die Punkt-zu-Punkt Übertragung liefern. Da adaptive SF, die nur an S1 und S2 angewendet wird, bereits vielfach für die Punkt-zu-Punkt Übertragung untersucht wurde, wird in dieser Arbeit besonderes Augenmerk auf das neue Feld der Systeme, in denen adaptive SF nur an der RS angewendet wird, gerichtet. Für diese Systeme werden sowohl im Ein-Weg als auch im Zwei-Wege Relaisverfahren die zuvor erwähnten Optimierungsprobleme neu formuliert, gelöst und analysiert. Vielversprechende Ergebnisse werden vor allem mit dem adaptiven SF Algorithmus, der den MQF minimiert, erzielt. Um KZI in den verschiedenen Fällen von Systemfähigkeiten zu erlangen, werden neue Pilotübertragungsverfahren und die zugehörigen Kanalschätzalgorithmen entwickelt. Desweiteren werden die Auswirkungen nicht-perfekter KZI betrachtet. Zuletzt wird anhand von zwei beispielhaften Szenarien mit zusätzlichen Knoten ein erster Einblick in Problemstellungen gewährt, die sich durch Vielfachzugriffe im Zwei-Wege Relaisverfahren ergeben.German
Uncontrolled Keywords: Relaying, MIMO Communications
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Relaying, MIMO CommunicationsEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Kommunikationstechnik
Date Deposited: 19 Jun 2009 09:03
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
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URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-14016
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Klein, Prof. Dr.- Anja and Wittneben, Prof. Dr.- Armin
Refereed: 4 June 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1401
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  • Multiple-antenna two-hop relaying for bi-directional transmission in wireless communication systems. (deposited 19 Jun 2009 09:03) [Currently Displayed]

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