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Multi-Antenna Multi-Group Multi-Way Relaying

Amah, Aditya Umbu Tana :
Multi-Antenna Multi-Group Multi-Way Relaying.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Multi-Antenna Multi-Group Multi-Way Relaying - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Multi-Antenna Multi-Group Multi-Way Relaying
Language: English
Abstract:

In this thesis, we consider a wireless relay network where a half-duplex multi-antenna relay station (RS) assists multiple communication groups. Each communication group consists of multiple half-duplex nodes who exchange messages. Each node has a message and wants to decode the messages from all other nodes in its group. In such a multi-way relay channel, the communication can only be performed through the RS since it is assumed that there are no direct links between the communicating nodes.

Due to the half-duplex constraint, there is a higher number of time-frequency communication resources needed compared to the case when full-duplex nodes exchange messages through a full-duplex RS. Therefore, we propose spectrally efficient communication protocols to perform multi-group multi-way (MGMW) communication using a half-duplex multi-antenna RS. The required number of communication phases is defined by the maximum number of nodes among the groups. In the first communication phase, the multiple access (MAC) phase, all nodes transmit their data streams simultaneously to the RS. After performing signal processing, in the remaining communication phases, the broadcast (BC) phases, the RS transmits to the nodes by ensuring that each node receives the intended data streams from its communication group members.

Three BC strategies are designed, namely, unicasting, hybrid uni/multicasting and multicasting, where each of these strategies ensures that the MGMW communication is completed within the given number of communication phases. Using unicasting strategy, in each BC phase, the RS transmits different data streams to different nodes. Each data stream is intended only for one receiving node. Using hybrid uni/multicasting, for each served group, the RS sends two data streams. One data stream is sent exclusively to only one node and the other data stream is sent to the other remaining nodes in the group. Using multicasting strategy, for each served group, the RS transmits one data stream for all nodes in the group. Considering multicasting strategy, network coding is applied to maintain the number of communication phases the same as for the other BC strategies. The applied network coding can be seen as a form of wireless cooperation between the RS and the nodes. For each group, in each BC phase, the RS performs a linear operation on two chosen data streams of two member nodes in the group and transmits the output to all group member nodes. The chosen data streams are changed in each BC phase such that the data stream of each node is selected at least once. Consequently, each node needs to perform self- and known-interference cancellation to each received data stream using the available side information, namely, its own transmitted data stream or a data stream which has been decoded in one of the previous BC phases.

We consider both non-regenerative RS and regenerative RS for MGMW relaying. A non-regenerative RS performs transceive (transmit and receive) beamforming to the received signals according to the chosen BC strategy and transmits the output to the nodes. We design a unified system model for non-regenerative MGMW relaying valid for all BC strategies and derive the sum rate expression of non-regenerative MGMW relaying for two cases, namely, asymmetric and symmetric traffic. We address transceive beamforming maximising the sum rate of non-regenerative MGMW relaying. Due to the high complexity of finding the optimum transceive beamforming maximising the sum rate, we design generalised low-complexity transceive beamforming algorithms for all BC strategies with three different optimisation criteria, namely, matched filter (MF), zero forcing (ZF) and minimisation of mean square error (MMSE). Also, we introduce BC-Strategy-aware (BCSA) transceive beamforming. BCSA transceive beamforming is designed based on either block diagonalisation (BD) or regularised BD (RBD). It is shown that the sum rate performance of non-regenerative MGMW relaying depends on the chosen BC strategy and the applied transceive beamforming. Using MF, ZF and MMSE, hybrid uni/multicasting performs best followed by unicasting and multicasting strategies. Using BCSA transceive beamforming, multicasting strategy performs best followed by hybrid uni/multicasting and unicasting strategies. BCSA transceive beamforming is able to improve the performance of both hybrid uni/multicasting and multicasting strategies due to the better approach of handling the interference in the network.

A regenerative RS decodes all the received data streams from all nodes in the MAC phase. We consider MMSE with successive interference cancellation for decoding the data streams of all nodes at the RS. After having the information bits, the RS re-encodes the decoded bits and transmits to the nodes according to the chosen BC strategy. Regarding the multicasting strategy, two linear operations are considered, namely, modified superposition coding (mSPC) and exclusive-or (XOR). We design a unified system model for regenerative MGMW relaying valid for all BC strategies and derive the sum rate expression of regenerative MGMW relaying for two cases, namely, asymmetric and symmetric traffic. We propose transmit beamforming minimising the RS’s transmit power while ensuring that each receiving node receives with a rate equal to the rate received at the RS in the MAC phase for each particular data stream. Due to the complexity of finding the optimum transmit beamforming minimising the RS’s transmit power and since in some cases the available RS transmit power is limited, we design generalised transmit beamforming algorithms for all BC strategies with three different optimisation criteria, namely, MF, ZF and MMSE. Also, we design generalised BCSA transmit beamforming. It is shown that multicasting-XOR strategy requires the lowest transmit power at the RS compared to the other strategies. In general, the sum rate performance of regenerative MGMW relaying depends on the chosen BC strategy and the applied transmit beamforming. Due to its better approach of handling the interference in the network, BCSA transmit beamforming is able to improve the performance of regenerative MGMW relaying. In general, multicasting-XOR strategy performs best followed by hybrid uni/multicasting and unicasting strategies. Furthermore, multicasting-XOR outperforms multicasting-mSPC.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit betrachten wir ein drahtloses Relaisnetzwerk, bei dem eine Halbduplex-Mehrantennen-Relaisstation (RS) mehrere Kommunikationsgruppen unterstüzt. Jede Kommunikationsgruppe besteht aus mehreren Halbduplexknoten, die untereinander Nachrichten austauschen. Jeder Knoten hat eine Nachricht und will die Nachrichten der anderen Knoten in seiner Gruppe dekodieren. In solch einem Multi-Way-Relaiskanal kann die Kommunikation nur mit Hilfe einer Relaisstation durchgeführt werden, da angenommen wird, dass es keine direkten Verbindungen zwischen den kommunizierenden Knoten gibt. Auf Grund der Halbduplexeinschränkung wird eine höhere Anzahl von Zeit-Frequenz Kommunikationsressourcen benötigt im Vergleich zum Fall, wenn Vollduplexknoten ihre Nachrichten mit Hilfe einer Vollduplex-RS austauschen. Daher schlagen wir ein spektral effizientes Kommunikationsprotokoll für Mehr-Gruppen Multi-Way (MGMW) Kommunikation vor, das eine Halbduplex-Mehrantennen RS verwendet. Die erforderliche Anzahl von Kommunikationsphasen wird durch die maximale Anzahl von Knoten innerhalb der Gruppen bestimmt. In der ersten Kommunikationsphase, der sogenannten Vielfachzugriffsphase (Multiple Access - MAC), senden alle Knoten ihre Datenströme gleichzeitig zur RS. Nachdem die RS die entsprechende Signalverarbeitung durchgeführt hat, sendet die RS in den verbleibenden Kommunikationsphasen, den sogenannten Broadcast (BC) Phasen, die Datenströme an die Knoten, wobei sichergestellt wird, dass jeder Knoten den für ihn vorgesehenden Datenstrom von seinen Kommunikationsgruppenmitgliedern empfängt. In dieser Arbeit werden drei BC Strategien entworfen: die Unicasting Strategie, die hybride Uni/multicasting Strategie und die Multicasting Strategie, wobei jede dieser Strategien gewährleistet, dass die MGMW Kommunikation innerhalb der gegebenen Zahl der Kommunikationsphasen durchgeführt wird. Bei der Unicasting Strategie sendet die RS in jeder BC Phase unterschiedliche Datenströme zu den unterschiedlichen Knoten. Jeder Datenstrom ist nur für einen Empfangsknoten vorgesehen. Bei der hybriden Uni/multicasting Strategie sendet die RS zu jeder bedienten Gruppe zwei Datenströme. Ein Datenstrom wird ausschliesslich nur zu einem Knoten gesendet, während der andere Datenstrom zu den anderen Knoten der Gruppe gesendet wird. Bei der Multicasting Strategie sendet die RS zu jeder bedienten Gruppe einen Datenstrom für alle Knoten in der Gruppe. Hierbei wird Netzwerkcodierung angewendet, um die Anzahl der Kommunikationsphasen im Vergleich zu den anderen BC Strategien beizubehalten. Die angewandte Netzwerkcodierung kann als eine Form von drahtloser Kooperation zwischen der RS und den Knoten angesehen werden. Für jede Gruppe führt die RS in jeder BC Phase eine lineare Operation mit zwei ausgewählten Datenströmen zweier Mitgliederknoten der Gruppe durch und sendet das Ergebnis an alle Gruppenmitgliederknoten. Die ausgewählten Datenströme werden in jeder BC Phase so gewählt, dass der Datenstrom jedes Knotens mindestens einmal berücksichtigt wird. Folglich muss jeder Knoten bezüglich jedes Datenstroms, den der Knoten empfangen hat, Selbstinterferenz- und bekannte Interferenzunterdrückung durchführen. Dazu wird als verfügbare Seiteninformation sein eigener gesendeter Datenstrom oder ein Datenstrom, der in einer vorherigen BC Phase dekodiert worden ist, verwendet. Weiterhin betrachten wir sowohl eine nicht-regenerative als auch eine regenerative RS für MGMW Relaisverfahren. Eine nicht-regenerative RS wendet ein Transceive (Sende und Empfängs-) Beamforming auf die empfangenen Signale gemäss der gewählten BC Strategie an und sendet das Ergebnis zu den Knoten weiter. Hierzu entwerfen wir ein vereinheitlichtes Systemmodell für nicht-regenerative MGMW Relaisverfahren, das gültig für alle BC Strategien ist, und leiten Ausdrücke für die Summenrate nichtregenerativer MGMW Relaisverfahren für zwei Fälle her: asymmetrischer und symmetrischer Datenverkehr. Wir erarbeiten Transceive Beamforming Verfahren, die die Summenrate nicht-regenerativer MGMW Relaisverfahren maximieren. Auf Grund der hohen Komplexität, das optimale Transceive Beamforming zu finden, das die Summenrate maximiert, entwerfen wir allgemeingültige Transceive Beamforming-Algorithmen mit geringer Komplexität für alle BC Strategien unter der Berücksichtigung von drei verschiedenen Optimierungskriterien: Matched Filter (MF), Zero Forcing (ZF) und Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers (Minimisation of Mean Square Error - MMSE). Desweiteren führen wir ein sich der BC-Strategie bewusstes (BC-Strategy-aware - BCSA) Transceive Beamforming ein. Das BCSA Transceive Beamforming wird entweder basierend auf Block-Diagonalisation (BD) oder auf regularised BD entworfen. Wir zeigen, dass die Summenratenperformanz nicht-regenerativer MGMW Relaisverfahren von der gewählten BC Strategie und dem angewandten Transceive Beamforming abhängt. Verwendet man MF, ZF oder MMSE, führt die hybride Uni/multicasting Strategie zu den besten Ergebnissen, gefolgt von der Unicasting Strategie und der Multicasting Strategie. Verwendet man BCSA Transceive Beamforming, so ist Multicasting die beste Strategie gefolgt von der hybriden Uni/multicasting Strategie und der Unicasting Strategie. BCSA transceive Beamforming kann sowohl die Performanz der hybrid Uni/multicasting Strategie als auch der Multicasting Strategie auf Grund der besseren Verarbeitung von Störungen im Netz verbessern. Eine regenerative RS dekodiert in der MAC Phase alle empfangenen Datenströme aller Knoten. Wir verwenden MMSE mit sukzessiver Interferenzunterdrückung zum Dekodieren der Datenströme aller Knoten an der RS. Nachdem die Informationsbits dekodiert worden sind, kodiert die RS die dekodierten Bits wieder und sendet die erneut kodierten Datenströme an die Knoten gemäss der gewählten BC Strategie. Bezüglich der Multicasting Strategie werden zwei lineare Operationen berücksichtigt: ein modifizierter Superpositions-Code (mSPC) und ein Exclusives-Oder (exclusive-or - XOR). Hierzu entwerfen wir ein vereinheitlichtes Systemmodell für regenerative MGMW Relaisverfahren, das für alle BC Strategien gültig ist, und leiten Ausdrücke für die Summenraten regenerativer MGMW Relaisverfahren für zwei Fälle her: asymmetrischer und symmetrischer Datenverkehr. Wir schlagen weiterhin Sendebeamforming-Verfahren vor, die die Sendeleistung der RS minimieren und gleichzeitig sicherstellen, dass in der BC Phase jeder Empfangsknoten die Daten mit der gleichen Rate empfängt, mit der die RS in der MAC Phase den entsprechenden Datenstrom empfangen hat. Auf Grund der Komplexität, ein optimales Sendebeamforming zu finden, das die Sendeleistung der RS minimiert, und da in manchen Fällen die verfügbare Sendeleistung der RS begrenzt ist, entwerfen wir allgemeingültige Sendebeamforming Verfahren für alle BC Strategien unter der Berücksichtigung von drei verschiedene Optimierungskriterien: MF, ZF und MMSE. Desweiteren entwerfen wir allgemeingültige BCSA Sendebeamforming-Verfahren. Es zeigt sich, dass die Multicasting-XOR Strategie im Vergleich zu den anderen BC Strategien die niedrigste Sendeleistung an der RS benötigt. Die Summenratenperformanz der regenerativen MGMW Relaisverfahren hängt im allgemeinen von der gewählten BC Strategie und dem angewandten Sendebeamforming ab. Auf Grund der besseren Verarbeitung von Störungen im Netz führt das BCSA Sendebeamforming zu einer Verbesserung der Summenratenperformanz regenerativer MGMW Relaisverfahren. Weiterhin zeigt sich, dass die Multicasting-XOR Strategie zu den besten Resultaten führt, gefolgt von der hybriden Uni/multicasting Strategie und der Unicasting Strategie. Ferner übertrifft die Multicasting-XOR Strategie die Multicasting-mSPC Strategie.German
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
multi-way, relaying, multi-antenna, MIMO, beamformingEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Kommunikationstechnik
Date Deposited: 16 Aug 2011 14:05
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27059
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Klein, Prof. Dr.- Anja and Martin, Prof. Dr. Alexander
Refereed: 28 February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2705
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