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Non-Regenerative Multi-Antenna Two-Way and Multi-Way Relaying

Degenhardt, Holger :
Non-Regenerative Multi-Antenna Two-Way and Multi-Way Relaying.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Non-Regenerative Multi-Antenna Two-Way and Multi-Way Relaying
Language: English
Abstract:

Relaying techniques are highly beneficial in wireless communication systems to overcome shadowing effects, to increase the communication range, to improve the energy efficiency and to increase the achievable throughput. To further increase the achievable throughput, multi-antenna techniques can be exploited. In this thesis, transmit strategies and filter designs for three different non-regenerative multi-antenna relaying scenarios are proposed. To investigate relaying in future cellular networks, a cellular multi-user relaying scenario is considered where a multi-antenna base station wants to bidirectionally communicate with several multi-antenna mobile stations. To investigate relaying in future ad-hoc and sensor networks, a multi-pair relaying scenario and a multi-group multi-way relaying scenario are considered. In the multi-pair relaying scenario, several pairs of multi-antenna nodes want to perform bidirectional pairwise communications. In the multi-group multi-way relaying scenario, each group consists of several multi-antenna nodes and each node wants to share its data with all other nodes within its group. In all scenarios, the nodes simultaneously transmit to the relay station during one multiple access phase. Afterwards, the relay station retransmits linearly processed versions of the received signals during several broadcast (BC) phases to the nodes. In the cellular multi-user and in the multi-pair relaying scenario, one BC phase is required due to considering bidirectional communications. In the multi-group multi-way relaying scenario, several BC phases are required because each node has to receive the messages of all other nodes within its group.

To consider that each node typically requires different data rates for transmission and reception, e.g., the required data rates in downlink are typically higher than the required data rates in uplink, asymmetric data rate (ADR) requirements are introduced. However, the problem of maximizing the sum rate with and without considering the introduced ADR requirements is non-convex for the considered scenarios and searching for an optimal solution has a very high computational complexity. Thus, in this thesis, a decomposition of the sum rate maximization problem is proposed for each considered scenario. Based on the proposed decompositions, the following low-complexity approaches are introduced.

In the cellular multi-user relaying scenario, joint spatial processing over all antennas at the base station can be performed for transmission and reception. For this scenario, a relay transceive filter design is proposed which exploits that the signals transmitted by the mobile stations can be jointly processed at the base station. For the proposed filter design, the self-interference and successive interference cancellation capabilities of the nodes are exploited and an analytical solution based on minimizing the weighted mean square error is derived. Furthermore, a successive interference cancellation aware transmit filter design at the base station is proposed. Additionally, an approach to enable a joint design of the filters at the nodes and at the relay station is introduced. Moreover, two low-complexity transmit strategies are proposed which adjust the transmit powers of the mobile stations and the transmit power distributions at the base station and at relay station to tackle the considered ADR requirements. Additionally, one of the proposed transmit strategies performs a low-complexity subcarrier allocation to adjust the numbers of simultaneously transmitted data streams with respect to the considered ADR requirements. By numerical results, it is shown that the proposed transmit strategies combined with the proposed filter designs at the nodes and at the relay station significantly outperform conventional approaches. For instance, for the considered configurations, the proposed approaches require up to three antennas less at the relay station than conventional approaches to achieve the same sum rate.

In the multi-pair relaying scenario, neither the transmit signals nor the receive signals of nodes which belong to different pairs can be jointly processed at one node. For this scenario, a relay transceive filter design is proposed which suppresses the interferences between nodes of different pairs and thus, enables the simultaneous communication of all pairs. Furthermore, the proposed filter design exploits the capability of the nodes to perform self-interference and successive interference cancellation. The proposed relay transceive filter design is based on minimizing the weighted mean square error and an analytical solution is derived. Furthermore, two approaches for designing the transmit and receive filters at the multi-antenna nodes are introduced. Moreover, two low-complexity transmit strategies are proposed which adjust the transmit powers of the nodes and the transmit power distribution at the relay station to tackle the considered ADR requirements. Additionally, one of the proposed transmit strategies performs an exhaustive search to optimize the numbers of simultaneously transmitted data streams with respect to the considered ADR requirements. By numerical results, it is shown that the proposed transmit strategy which additionally optimizes the numbers of simultaneously transmitted data streams combined with the proposed filter designs at the nodes and at the relay station significantly outperforms conventional approaches. For instance, for the considered configurations, the proposed approach requires up to three antennas less at the relay station than conventional approaches to achieve the same sum rate.

In the multi-group multi-way relaying scenario, the selection of the signals which are retransmitted in each BC phase can be optimized which is an additional challenge compared to the other two relaying scenarios. Furthermore, the nodes can additionally perform joint temporal receive processing over the received signals of the different BC phases. For this scenario, two low-complexity transmit strategies are proposed which utilize analog network coding to exploit the spatial processing capabilities of the nodes and of the relay station as well as the capability of the nodes to perform temporal receive processing over the received signals of the different BC phases. Additionally, the proposed transmit strategies exploit the capability of the nodes to perform self-interference and successive interference cancellation. To enable an efficient application of the proposed transmit strategies, an analog network coding aware relay transceive filter design is proposed. The relay transceive filter design is based on minimizing the weighted mean square error and an analytical solution is derived which can be adjusted via the considered weighting parameters. Additionally, a joint approach for designing the receive filters at the nodes together with the proposed analog network coding aware relay transceive filter is introduced. By numerical results, it is shown that the proposed transmit strategies combined with the proposed joint filter design at the nodes and at the relay station significantly outperform conventional approaches. For instance, if a single group with ten nodes is considered, the proposed approaches require up to six antennas less at the relay station than conventional approaches to achieve the same sum rate.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Relaisverfahren sind höchst vorteilhaft, um in drahtlosen Kommunikationssystemen Abschattungseffekte zu überwinden, Reichweiten zu erhöhen, die Energieeffizienz zu verbessern und den erzielbaren Datendurchsatz zu steigern. Um den erzielbaren Datendurchsatz weiter zu steigern, können Mehrantennentechniken genutzt werden. In dieser Arbeit werden Sendestrategien sowie Filterentwürfe für drei verschiedene nicht-regenerative Mehrantennen-Relais-Szenarien vorgeschlagen. Um Relaisverfahren in zukünftigen zellularen Szenarien zu untersuchen, wird ein zellulares Mehrnutzer-Relaisszenario betrachtet, in welchem eine Mehrantennen-Basisstation mit mehreren Mehrantennen-Mobilstationen bidirektional kommuniziert. Um Relaisverfahren in zukünftigen Ad-Hoc-Netzwerken und Sensornetzwerken zu untersuchen, werden ein Mehrpaar-Relaisszenario und ein Mehrgruppen-Mehrwege-Relaisszenario betrachtet. In dem Mehrpaar-Relaisszenario kommunizieren mehrere Mehrantennen-Knoten paarweise bidirektional miteinander. In dem Mehrgruppen-Mehrwege-Relaisszenario besteht jede Gruppe aus mehreren Mehrantennen-Knoten und jeder dieser Knoten teilt seine Daten mit allen anderen Knoten in seiner Gruppe. In allen Szenarien senden die Knoten während einer Vielfachzugriffsphase zeitgleich zur Relaisstation. Anschließend sendet die Relaisstation während mehrerer Broadcast (BC) Phasen linear verarbeitete Versionen dieser empfangenen Signale zu den Knoten. In dem zellularen Mehrnutzer-Relaisszenario und dem Mehrpaar-Relaisszenario wird nur eine BC Phase benötigt, da bidirektionale Kommunikationen betrachtet werden. In dem Mehrgruppen-Mehrwege-Relaisszenario werden mehrere BC Phasen benötigt, da jeder Knoten die Nachrichten von allen anderen Knoten in seiner Gruppe empfangen muss. Jeder Knoten benötigt in der Regel eine unterschiedliche Datenrate zum Senden und Empfangen. So ist zum Beispiel die benötigte Datenrate in der Abwärtsstrecke von der Basisstation zu den Mobilstationen normalerweise höher als die benötigte Datenrate in der Aufwärtsstrecke von den Mobilstationen zur Basisstation. Um dies zu berücksichtigen, werden asymmetrische Datenraten-Forderungen (ADRF) eingeführt. Jedoch ist das Problem, die Summenrate für die betrachteten Szenarien mit und ohne Berücksichtigung der eingeführten ADRF zu maximieren, nicht konvex und die Suche nach einer optimalen Lösung hat eine sehr hohe Berechnungskomplexität. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit für jedes betrachtete Szenario eine Zerlegung des Problems der Summenratenmaximierung vorgeschlagen. Basierend auf diesen Problemzerlegungen werden die folgenden Verfahren eingeführt. Im zellularen Mehrnutzer-Relaisszenario können die Sende- und Empfangssignale der Basisstation gemeinsam über alle Antennen verarbeitet werden. Für dieses Szenario wird ein Filterentwurf für das Sendeempfangsfilter der Relaisstation vorgeschlagen, welcher ausnutzt, dass die Sendesignale der Mobilstationen gemeinsam an der Basisstation verarbeitet werden können. Für den vorgeschlagenen Filterentwurf werden die Fähigkeiten der Selbst- und der Schrittweisen-Interferenz-Auslöschung an den Knoten ausgenutzt. Zudem wird eine analytische Lösung basierend auf der Minimierung des gewichteten mittleren quadratischen Fehlers hergeleitet. Zusätzlich wird ein Entwurf des Sendefilters an der Basisstation vorgeschlagen, der die Fähigkeit der Schrittweisen-Interferenz-Auslöschung an den Mobilstationen ausnutzt. Außerdem wird ein Verfahren eingeführt, welches den gemeinsamen Entwurf der Filter an den Knoten und des Filters an der Relaisstation ermöglicht. Weiterhin werden zwei Sendestrategien vorgeschlagen, welche die Sendeleistungen an den Knoten und die Sendeleistungsverteilungen an der Basisstation und an der Relaisstation anpassen, um die betrachteten ADRF zu erfüllen. Zudem wird bei einer der vorgeschlagenen Sendestrategien eine Subträger-Zuweisung durchgeführt, um die Anzahl der gleichzeitig gesendeten Datenströme unter Berücksichtigung der ADRF anzupassen. Durch numerische Ergebnisse wird gezeigt, dass die Performanz der vorgeschlagenen Sendestrategien kombiniert mit den vorgeschlagenen Filterentwürfen an den Knoten und an der Relaisstation signifikant besser ist als die Performanz konventioneller Verfahren. So benötigen die vorgeschlagenen Verfahren zum Beispiel bis zu drei Antennen an der Relaisstation weniger als konventionelle Verfahren, um dieselbe Summenrate zu erzielen. Im Mehrpaar-Relaisszenario können weder die Sende- noch die Empfangssignale, die zu unterschiedlichen Paaren gehören, gemeinsam an einem Knoten verarbeitet werden. Für dieses Szenario wird ein Filterentwurf für das Sendeempfangsfilter der Relaisstation vorgeschlagen, welcher die Interferenz zwischen den Knoten verschiedener Paare unterdrückt und somit eine gleichzeitige Kommunikation aller Paare ermöglicht. Zudem nutzt der vorgeschlagene Filterentwurf die Fähigkeiten der Selbst- und der Schrittweisen-Interferenz-Auslöschung an den Knoten aus. Basierend auf der Minimierung des gewichteten mittleren quadratischen Fehlers wird für den vorgeschlagenen Filterentwurf eine analytische Lösung hergeleitet. Zusätzlich werden zwei Verfahren vorgeschlagen, um die Sende- und Empfangsfilter an den Knoten zu entwerfen. Weiterhin werden zwei Sendestrategien vorgeschlagen, welche die Sendeleistungen an den Knoten und die Sendeleistungsverteilung an der Relaisstation anpassen, um die betrachteten ADRF zu erfüllen. Zudem wird bei einer der vorgeschlagenen Sendestrategien eine vollständige Suche durchgeführt, um die Anzahl der gleichzeitig gesendeten Datenströme unter Berücksichtigung der ADRF zu optimieren. Durch numerische Ergebnisse wird gezeigt, dass die Performanz der vorgeschlagenen Sendestrategie, welche die Anzahl der gleichzeitig gesendeten Datenströme optimiert, kombiniert mit den vorgeschlagenen Filterentwürfen an den Knoten und an der Relaisstation signifikant besser ist als die Performanz konventioneller Verfahren. So benötigt das vorgeschlagene Verfahren zum Beispiel bis zu drei Antennen an der Relaisstation weniger als konventionelle Verfahren, um dieselbe Summenrate zu erzielen. Im Mehrgruppen-Mehrwege-Relaisszenario kann die Auswahl der Signale, die in den einzelnen BC Phasen ausgesendet werden, optimiert werden. Dies stellt eine zusätzliche Herausforderung im Vergleich zu den anderen zwei Relaisszenarien dar. Zudem kann an jedem Knoten eine gemeinsame zeitliche Verarbeitung der Empfangssignale aus den verschiedenen BC Phasen durchgeführt werden. Für dieses Szenario werden zwei Sendestrategien vorgeschlagen, welche die analoge Netzwerkcodierung verwenden, um die Fähigkeit der räumlichen Signalverarbeitung an den Knoten und an der Relaistation auszunutzen sowie um die Fähigkeit der zeitlichen Signalverarbeitung an den Knoten auszunutzen. Außerdem nutzen die vorgeschlagenen Sendestrategien die Fähigkeiten der Selbst- und der Schrittweisen-Interferenz-Auslöschung an den Knoten aus. Um eine effiziente Anwendung der vorgeschlagenen Sendestrategien zu ermöglichen, wird ein Entwurf des Sendeempfangsfilters der Relaisstation vorgeschlagen, welcher die Umsetzung von analoger Netzwerkcodierung ermöglicht. Der vorgeschlagene Filterentwurf basiert auf der Minimierung des gewichteten mittleren quadratischen Fehlers und es wird eine analytische Lösung für das Sendeempfangsfilter hergeleitet, welche Mithilfe von Gewichtsparametern angepasst werden kann. Zusätzlich wird ein Verfahren eingeführt, welches den gemeinsamen Entwurf der Empfangsfilter an den Knoten und des Sendeempfangsfilters an der Relaisstation ermöglicht. Durch numerische Ergebnisse wird gezeigt, dass die Performanz der vorgeschlagenen Sendestrategien kombiniert mit dem vorgeschlagenen gemeinsamen Entwurf der Empfangsfilter an den Knoten und des Sendeempfangsfilters an der Relaisstation signifikant besser ist als die Performanz konventioneller Verfahren. So benötigen die vorgeschlagene Verfahren zum Beispiel bei Betrachtung einer einzelnen Gruppe mit zehn Knoten bis zu sechs Antennen an der Relaisstation weniger als konventionelle Verfahren, um dieselbe Summenrate zu erzielen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communications Engineering
Date Deposited: 27 Nov 2014 10:23
Last Modified: 27 Nov 2014 10:23
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42502
Referees: Klein, Prof. Dr.-Ing. Anja and Dekorsy, Prof. Dr.-Ing. Armin
Refereed: 29 October 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4250
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