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Advanced Relaying Methods for One-Way and Two-Way Communication

Schad, Adrian :
Advanced Relaying Methods for One-Way and Two-Way Communication.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Advanced Relaying Methods for One-Way and Two-Way Communication
Language: English
Abstract:

In wireless communication, relays are devices that receive and forward radio signals. Relays are attractive as they can increase the coverage of cellular networks. Moreover, relays improve the robustness of the wireless radio communication as they create additional signal paths.

In this thesis, we propose novel schemes for one- and two-way communication in wireless relay networks. We aim to select the optimum relaying parameters by meeting two different design goals. The first goal is to minimize the transmit power where we assume constraints on the signal quality at the receivers. The second goal is to maximize the signal quality where we assume that the transmit power is limited.

For one-directional communication, we propose schemes for communication over frequency selective radio channels that lead to inter-symbol-interference (ISI). First, we consider a multi-antenna source that transmits individual data streams to multiple destinations via multi-antenna relays. The proposed relaying scheme mitigates ISI as well as multi-user interference by using linear filters at the relays. Moreover, we demonstrate that linear precoding at the source efficiently improves the signal quality at the destinations. Then, we show that the latter scheme with a single source and multiple destinations includes the multi-user peer-to-peer (p2p) relaying scheme as a special case. In the p2p scheme, multiple source terminals transmit messages to multiple destination terminals via a network of relays. The simulation results demonstrate that increasing the relay filter length substantially improves the signal quality at the destinations.

For relay networks with frequency-flat channels, we propose a novel multicasting scheme where a single source transmits common information to multiple destinations. The relays use the amplify-and-forward (AF) protocol to scale and adjust the phases of their received signals by using weight coefficients. To increase the number of degrees of freedom in the system, a rank-two beamforming method is used to create two communication links from the source to each destination. We propose an iterative algorithm that computes the relay weights and the optimal transmit power of the source and the relays.

For bi-directional two-way AF relay communication, we first consider a single user pair. We analytically compare three different bi-directional schemes by their maximum rate.

Then, we generalize the bi-directional communication of a single user pair to multiple pairs using an AF relay network. To limit the multi-user interference in the network, we propose to use novel multiple access schemes.

For the bi-directional communication of a single user pair via a multi-antenna relay, a new differential scheme is proposed that allows to compute the relay weights without explicit knowledge of the communication channels. The proposed scheme is easy to implement and can be adapted to other relaying protocols.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Relais werden in drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet, um Sendesignale zu empfangen und weiterzuleiten. Sie können die Netzabdeckung im Mobilfunk erhöhen und machen die Funkkommunikation robust gegenüber Schwankungen der Empfangsfeldstärke, indem sie zusätzliche Signalpfade schaffen. In dieser Dissertation werden neuartige Verfahren für die Einweg-Kommunikation und Zweiweg-Kommunikation in drahtlosen Relais-Netzwerken vorgeschlagen. Zudem werden für diese Verfahren die bestmöglichen Relais-Parameter gesucht, die bestimmte Optimierungsziele erfüllen. Ein Optimierungsziel ist, bei kleinstmöglicher Sendeleistung eine ausreichend hohe Signalqualität bei den Empfängern zu erreichen. Ein weiteres Ziel ist die Signalqualität zu maximieren, während die Sendeleistung begrenzt ist. Für die Einweg-Übertragung werden Systeme zur Kommunikation über frequenzselektive Funkkanäle vorgestellt, welche zu Intersymbolinterferenzen (ISI) führen. Zunächst wird eine Informationsquelle betrachtet, die über Relais Signale an mehrere Empfänger sendet. Hierbei erhält jeder Empfänger unterschiedliche Daten. Sowohl die Informationsquelle als auch die Relais sind mit mehreren Antennen ausgerüstet. Durch lineare Filter an den Relais können in diesem System sowohl ISI als auch Interferenzen der verschiedenen Sendesignale abgeschwächt werden. Außerdem wird gezeigt, wie eine lineare Vorverarbeitung an der Informationsquelle die Signalqualität an den Empfängern verbessert. Aus dem Relais-System mit einer einzelnen Informationsquelle und mehreren Empfängern wird ein Peer-to-peer-System abgeleitet. In diesem senden mehrere Informationsquellen Daten über ein Relais-Netzwerk an mehrere Empfänger. Durch Vergrößern der Relais-Filterlänge wird die Signalqualität an den Empfängern deutlich verbessert. Für Relais-Netzwerke, in denen die Funkkanäle einen flachen Frequenzgang aufweisen, wird ein neuartiges Multicast-Verfahren vorgestellt. In diesem Verfahren werden dieselben Daten an mehrere Empfänger gesendet. Die Relais verwenden das Amplify-and-forward-Protokol, um ihre Empfangssignale mit Gewichtsfaktoren zu skalieren und deren Phasen anzupassen. Um die Anzahl der Freiheitsgrade zu erhöhen, wird eine Rang-Zwei-Strahlformungsmethode eingesetzt. Mit dieser Methode werden zwei Kommunikationskanäle von der Informationsquelle zu jedem Empfänger er- zeugt. Mit einem iterativen Algorithmus werden sowohl die Relais-Gewichtsfaktoren als auch die optimalen Sendeleistungen der Informationsquelle und der Relais berechnet. Anschließend wird die bidirektionale Zweiweg-Kommunikation eines einzelnen Benutzerpaares unter der Verwendung von Amplify-and-forward Relais betrachtet. Es werden drei verschiedene bidirektionale Übertragungsmethoden anhand ihrer maximalen Übertragungsrate verglichen. Danach wird die bidirektionale Kommunikation eines einzelnen Benutzerpaares auf mehrere Paare verallgemeinert. Um die Interferenzen im Netzwerk, die aufgrund der Mehrbenutzerkommu-nikation auftreten, gering zu halten, werden Vielfachzugriffsverfahren eingeführt. Für die bidirektionale Kommunikation eines einzelnen Benutzerpaares über ein Amplify-and-forward-Relais wird ein differenzielles Verfahren zur Bestimmung der Gewichtsfaktoren vorgeschlagen. Dieses Verfahren benötigt keine expliziten Informationen über die Funkkanäle, ist einfach zu imple- mentieren und kann leicht an andere Relais-Protokolle angepasst werden.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 > Communication Systems
Date Deposited: 29 Apr 2015 10:09
Last Modified: 29 Apr 2015 10:09
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44760
Referees: Pesavento, Dr. Marius and Sergiy, Dr. Vorobyov and Klein, Dr. Anja and De Gersem, Dr. Herbert
Refereed: 29 October 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4476
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