Relay-assited transmission and radio resource management for wireless networks

Abstract

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.<br/>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.<br/>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).<br/>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.<br/>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. <br/>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.<br/>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. <br/>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).<br/>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.

The relay-assisted or cooperative transmission is a relatively new class of spatial diversity technique where a new element comes up in the conventional source-destination or point-to point communication: an assisting relay or cooperating user. The relay assists to the source in transmitting a message to the destination and allows dealing with the channel impairments like shadowing and pathloss. Although the seminal works were issued in the 70's by van der Meulen, Cover and El Gamal, it has been during the last years when it has re-gained more attention by the researchers. In fact, the relay-assisted transmission can be seen as a virtual MIMO (Multiple Input Multiple Output) with distributed antennas. In contrast to MIMO systems, the transmission requires the use of additional channel resources because of the limitation of the current radio technology: the relay terminal is constrained to work in half-duplex mode, which motivates that the transmission must be carried out in two orthogonal phases (relay-receive and relay-transmit phase), duplexed in time or frequency domains.<br/>This dissertation investigates protocols and strategies for the relay-assisted transmission which improve the spectral efficiency and homogenize service in the cellular communication systems. The new element present in the communication, the relay terminal, imposes a redefinition of many techniques and protocols commonly used in the point-to-point and MIMO systems, which are placed at the physical and upper layers.<br/>First, achievable rates using the relay-assisted transmission are provided which depend on the role of the relay (amplify-and-forward or decode-and-forward), the type of the transmission (persistent transmission, incremental or selective relaying), the data transmitted by the relays (repetition or unconstrained coding) and the type of half-duplex protocol. There are up to four protocol definition depending on the activity of the terminals on each phase. An additional aspect addressed is the resource allocation for each phase, that is, either it is fixed beforehand (static) or it is adjusted dynamically (dynamic) as a function of the channel quality. For the single-user relay- assisted transmission the resources can be allocated based on the channel quality of the different links. Moreover, if there is complete channel state information about all channel coefficients, source and relay can transmit synchronously enhancing the transmission thanks to the (distributed) eigenvector precoding techniques.<br/>Two relay-assisted transmission techniques are evaluated when a destination is assisted by multiple relays. Both depend on the messages intended to each assisting relay (independent or common messaging). The resource allocation for both techniques is shown to be convex. <br/>Additionally, three different scenarios illustrate the multi-user relay-assisted transmission with a single destination and different types of half-duplex relays: RMAC (Relay-assisted Multiple Access Channel), UC (User Cooperation) and MARC (Multiple Access Relay Channel). The relay-assisted transmission can be done synchronously or asynchronously. The sources and relays are power limited and access in each phase of the communication by TDMA (time division multiple access), FDMA (frequency division multiple access) or SC (superposition coding multiple access). For those scenarios the allocation of transmitted power and time resources can be formulated as a convex problem under some circumstances, evaluating the optimal solution.<br/>Afterwards, the relay-assisted transmission duplexed in time is applied to a centralized cellular system based on TDMA in the downlink. The reuse of one time slot for the transmissions done from the relays to destinations (relay slot) is proposed to improve the spectral efficiency. This solution produces interference for all the destinations active in that time slot. A power control algorithm (at the relays) based on game theory is proposed to combat the generated interference. Under that configuration a scheduler algorithm explores the multi-user gain for the relay-assisted transmission, measuring the introduced overhead.<br/>Another way of dealing with the interference is by rate control management. Under some circumstances it is possible to model the probability density function (pdf) of the interfering power. In such a case, the source can tune the transmission rate in order to maximize the throughput. This solution is extended to the case where each destination is assisted by multiple relays. In spite of the interfering power, both proposed solutions are able to provide significant gains over the direct transmission.<br/>Finally, the dynamic link control of the relay assisted transmission is investigated under two different assumptions on the knowledge about the channel: statistical knowledge of the channel state and actual information about the current channel state. Both types of knowledge lead to different transmission strategies, in terms of selecting the modulation and coding scheme (MCS). Under the first case, the transmission rates are not adapted to the current channel realization and the destination can decode wrongly the messages. The Automatic Repeat reQuest (ARQ) protocols are redefined for the relayassisted transmission to cope with these events. In this work we specify the (distributed) space-time codes, the coding at the source and relay and the length of the retransmissions. When there is actual information about the channel state the MCS can be adapted to the current channel realization. In such a case, the link error prediction for the relay-assisted transmission is investigated, and thus the MCS can be designed for maximizing the information rate for a given probability of packet loss or maximizing the throughput.