Relay-assited transmission and radio resource management for wireless networks

• Autores: Adrián Agustín de Dios
• Directores de la Tesis: José Vidal Manzano (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2008
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Rodríguez Fonollosa (presid.), Olga Muñoz Medina (secret.), M. Dohler (voc.), Santiago Zazo Bello (voc.), Ángel Lozano Solsona (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de las telecomunicaciones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • La transmisión asistida por relay o transmisión cooperativa es una nueva técnica de diversidad espacial donde aparece un elemento nuevo (un relay o un usuario cooperativo) en la tradicional transmisión punto a punto (fuente a destino). Ahora en la comunicación intervienen tres enlaces: fuente-relay, relay-destino y fuente-destino. El relay, además de asistir a la fuente en la transmisión de un mensaje, permite combatir las degradaciones que puede sufrir el canal como el shadowing y el pathloss. Aunque esta técnica está basada en el trabajo realizado en los 70 por Van der Meulen, Cover y El Gamal, ha sido en los últimos años cuando se han vuelto a considerar el uso de relays. En realidad, la transmisión asistida por un relay puede verse como un sistema virtual multi-antena (virtual MIMO) donde las antenas están distribuidas en diferentes terminales. Sin embargo, al contrario de los sistemas multi-antena y debido a la limitación de la actual tecnología radio, el relay debe trabajar en modo half-duplex, ya que no puede transmitir y recibir simultáneamente en la misma banda. Este hecho, motiva que la transmisión deba realizarse en dos fases ortogonales en función del modo del relay (recibiendo datos - relay-receive phase o transmitiendo datos - relay-transmit phase). Estas fases pueden implementarse en el dominio de la frecuencia o el tiempo.Esta tesis investiga protocolos y estrategias para la transmisión asistida por relay para mejorar la eficiencia espectral y homogeneizar el servicio para todos los usuarios en un sistema de comunicación celular. La introducción del relay en la comunicación implica la redefinición de muchas técnicas y protocolos considerados en las comunicaciones punto a punto y en los sistemas multi-antena, situados en la capa física y/o superiores.En primer lugar se presentan los achievable rates obtenidos por la transmisión asistida por relay en función del rol del relay (amplifica y retransmite o decodifica y retransmite), el tipo de transmisión (siempre transmite, incremental o selectiva), los datos transmitidos por el relay (repite los símbolos recibidos o son independientes) y el tipo del protocolo half duplex. En función de los terminales activos en cada fase de la comunicación (fuente, destino o relay), existen hasta cuatro protocolos. Otro aspecto considerado es la asignación de recursos (resource allocation) para cada fase de la comunicación, la cual puede estar fijada de antemano o puede ser ajustada dinámicamente en función de los canales de los diferentes enlaces. En el caso de que todos los coeficientes del canal se conocieran perfectamente, los terminales podrían transmitir síncronamente, mejorando la comunicación gracias a la ganancia debida a técnicas de pre-codificación por medio de los autovectores del canal (con antenas distribuidas).Además dos técnicas de transmisión asistida por relay son evaluadas cuando existen múltiples relays por destino. Ambas dependen del tipo de mensajes transmitidos a cada relay (mensajes independientes o uno común). La asignación de recursos para ambas técnicas puede verse como un problema convexo.Tres escenarios resumen diferentes tipos de transmisión asistida por relay para múltiples fuentes y un solo destino: RMAC (Relay-assisted Multiple Access Channel), UC (User Cooperation) and MARC (Multiple Access Relay Channel). Su diferencia se basa en el tipo de relay half- duplex considerado. La transmisión puede hacerse síncrona o asíncronamente. Las fuentes y los relays están limitados en potencia y el acceso de ellos en cada fase de la comunicación pude hacerse por medio de TDMA (time division multiple access), FDMA (frequency division multiple access) or SC (superposition coding multiple access). La asignación de recursos puede ser formulada como un problema convexo en algunos casos y la solución óptima puede ser encontrada. Seguidamente la transmisión asistida por relay y duplexada en tiempo es aplicada a un sistema celular centralizado basado en TDMA en el downlink. Con el objetivo de mejorar la eficiencia espectral se propone el reuso espacial de un slot temporal para las transmisiones de los relays hacia sus respectivos destinos (slot de relay), generando interferencia para todos los restantes destinos activos. Un algoritmo de control de potencia basado en la teoría de juegos es propuesto para combatir la interferencia generada. Bajo esa configuración, un algoritmo de scheduling investiga las posibles ganancias debidas al multi-user gain y mide el overhead introducido.Otra forma de tratar con la interferencia es la de controlar el rate de nuestra transmisión (rate control management). Bajo ciertas condiciones es posible modelar la función de densidad de probabilidad de la potencia interferente. En ese caso, la fuente ajusta el rate para maximizar el throughput de la comunicación. Esta solución es extendida para el caso en el que cada destino es asistido por varios relays. Las dos soluciones propuestas son capaces de proporcionar mejores resultados que la transmisión directa, a pesar de la interferencia existente en el slot de relay. Finalmente, se investiga el control dinámico del enlace para la transmisión asistida por relay con dos diferentes tipos de conocimiento sobre el canal: conocimiento estadístico (statistical knowledge of the channel state) o conocimiento del canal instantáneo (actual information about the current channel state).Estos dos tipos de conocimiento derivan en diferentes estrategias a utilizar para seleccionar la modulación y el esquema de codificación (MCS). En el primer caso, los rates seleccionados no están adaptados al canal actual, por lo que el destino puede recibir erróneamente los mensajes. Los protocolos de retransmisión de mensajes (ARQ - automatic repeat request) son los encargados de asegurarse la correcta recepción y son redefinidos para la transmisión asistida por relay.. En este trabajo, se especifica los códigos espacio-tiempo distribuidos, la codificación en al fuente y el relay y la longitud de las retransmisiones. Cuando la fuente conoce algún parámetro del canal instantáneo puede adaptar el MCS para esa realización del canal. En ese caso se investiga la predicción del error en las transmisiones asistidas por relay, y con ello es posible diseñar el MCS para que maximice la cantidad de información transmitida para una probabilidad de pérdida de paquete o que maximice el throughput.