A coding scheme for wireless networks with multiple antenna nodes and no channel information

In this paper, we present a coding strategy for wireless relay networks where the relay nodes are small devices with few resources, while the source and sink are equipped with multiple antennas to increase the transmission rate. We assume no channel knowledge at all, and the receiver decodes knowing none of the channel paths. This coding scheme uses distributed space-time coding techniques and is inspired by noncoherent differential space-time coding. It is shown to yield a diversity linear in the minimum number of transmit/receive antennas times the number of relays

Cyclic Distributed Space–Time Codes for Wireless Relay Networks With No Channel Information

In this paper, we present a coding strategy for half duplex wireless relay networks, where we assume no channel knowledge at any of the transmitter, receiver, or relays. The coding scheme uses distributed space–time coding, that is, the relay nodes cooperate to encode the transmitted signal so that the receiver senses a space–time codeword. It is inspired by noncoherent differential techniques. The proposed strategy is available for any number of relays nodes. It is analyzed, and shown to yield a diversity linear in the number of relays. We also study the resistance of the scheme to relay node failures, and show that a network with R relay nodes and d of them down behaves, as far as diversity is concerned, as a network with R-d nodes. Finally, our construction can be easily generalized to the case where the transmitter and receiver nodes have several antennas

Distributed space-time block codes for two-hop wireless relay networks

Recently, the idea of space-time coding has been applied to wireless relay networks wherein a set of geographically separated relay nodes cooperate to process the received signal from the source and forward them to the destination such that the signal received at the destination appears like a Space-Time Block Code (STBC). Such STBCs (referred to as Distributed Space-Time Block Codes (DSTBCs)) when appropriately designed are known to offer spatial diversity. It is known that different classes of DSTBCs can be designed primarily depending on (i) whether the Amplify and Forward (AF) protocol or the Decode and Forward (DF) protocol is employed at the relays and (ii) whether the relay nodes are synchronized or not. In this paper, we present a survey on the problems and results associated with the design of DSTBCs for the following classes of two-hop wireless relay networks: (i) synchronous relay networks with AF protocols, (ii) asynchronous relay networks with AF protocols (iii) synchronous relay networks with DF protocols and (iv) asynchronous relay Fig. 1. Co-located MIMO channel model networks with DF protocols

Analyse des performances de réseaux coopératifs à relais multiples

Résumé Dans une communication coopérative, des nœuds relais coopèrent conjointement avec un nœud source afin de transmettre ses informations vers sa destination. Ceci permet d'augmenter la fiabilité de la communication lorsque le canal entre la source et la destination est de mauvaise qualité.Les communications coopératives à plusieurs relais présentent un intérêt grandissant dans le domaine des communications. En effet, la présence de plusieurs relais favorise l'exploitation des propriétés des systèmes MIMO telles le Multiplexage Spatial (SM) et la diversité. Cependant, plusieurs techniques de communication à relais multiples se limitent au modèle avec des relais à une seule antenne. De plus, les modèles de communication supposent une connaissance parfaite du canal de transmission au récepteur, ce qui ne reflète pas le cas réel d'une transmission sur un canal radio à évanouissements. Finalement, la communication coopérative à sauts multiples (à plusieurs niveaux de relais) a été étudiée partiellement. Les travaux antérieurs se sont limités à des modèles simples de réseau (généralement à deux sauts) et à des transmissions avec codage spatio-temporel unitaire. Afin de remédier à toutes ces limitations du modèle de communication coopérative à relais multiples, nous développons et analysons des modèles qui intègrent chacune de ces contraintes.Le premier modèle développé considère des relais à plusieurs antennes exploitant les techniques de transmission Amplify-and-Forward (AF) ou bien Decode-and-Forward (DF) avec une connaissance parfaite ou imparfaite des canaux de transmissions aux récepteurs. Les relais utilisent un codage spatio-temporel distribué (pour augmenter la diversité) ou le multiplexage spatial distribué (pour accroitre le taux de transmission). Dans le but d'améliorer la fiabilité de la communication à un taux de transmission fixe, nous proposons une technique de communication adaptative décentralisée basée sur la sélection entre le codage spatio-temporel et le multiplexage spatial à une valeur de SNR (rapport signal- à -bruit) donnée.Enfin, nous développons et analysons le modèle de la communication coopérative à plusieurs sauts (à plusieurs niveaux de relais) de transmission. Nous développons l'analyse du modèle de communication coopérative avec un nombre de sauts supérieur à trois, où le codage spatio-temporel est utilisé à un ou plusieurs niveaux de relais. Les résultats des simulations montrent les gains de performances et les comportements (en termes d'erreur) des nouveaux modèles de transmission développés. Ceci nous a permis de comprendre le comportement du réseau coopératif avec les techniques de transmissions proposées et d'en extraire les structures de réseau et techniques de transmission offrant les meilleures performances en taux d'erreur binaire.----------Abstract In a cooperative communication system, a set of relay nodes works jointly with a source node in order to forward its information to the destination. This technique permits to increase the reliability of the communication when the direct link is corrupted.Cooperative communications with multiple relays have an important interest in telecommunications. By the presence of multiple relay nodes, point-to-point MIMO properties such as spatial multiplexing and diversity could be exploited in this new type of communications. Meanwhile, many cooperation techniques with multiple relays are limited to the model where the relays are single antenna. Moreover, the system models assume a perfect Channel State Information (CSI) at the receiver, which is not the real case for a fading channel. Finally, multi-hop cooperative communication has been treated partially. The authors were limited in their works to double hops networks (generally small number of hops) and to transmissions with space-time coding with unitary code matrices. In order to rectify these limitations in the system model of cooperative communications with multiple relays, we develop and analyze system models that include each of these constraints.The first developed system model assumes MIMO relay nodes using AF or DF transmission techniques with a perfect CSI or imperfect CSI at the receivers. The relay nodes exploit distributed space-time coding (to strengthen the communication) or distributed spatial multiplexing (to increase the transmission rate). To increase the communication reliability at a fixed transmission rate, we propose a decentralized selection technique between space-time coding and spatial multiplexing based on the estimated SNR.Finally, we develop and analyze the model of a multi-hop cooperative communication. We develop the analysis of the multi-hop (multi-levels) cooperative communication model where the space-time coding is used at one or many relays' levels. The simulation results show the performance gains and the behaviors (in error rates) of the new developed system models. This help us to understand better the behavior of the cooperative system using the proposed transmission techniques and then extract the network structure and transmission technique providing the best error rate performances

Techniques de coopération dans les réseaux à radio cognitive : conception et évaluation des performances

RÉSUMÉ La technologie de radio cognitive permet aux usagers sans licence (appelés usagers secondaires) de transmettre dans les bandes de fréquences avec licence, sans dégrader la qualité de service des transmissions des usagers avec licence (appelés usagers primaires). Afin d’éviter l’interférence indésirable aux récepteurs primaires, les émetteurs secondaires doivent réduire leurs puissances de transmission. Cette limitation de puissance génère généralement des performances secondaires dégradées. Combiner la technologie à radio cognitive à d’autres technologies de transmission émergentes comme la coopération et la technologie des antennes multiples pourrait bénéficier aux transmissions primaires et secondaires. Dans cette thèse, nous proposons et étudions différentes techniques de coopération pour le réseau à radio cognitive. Certaines techniques exploitent la sélection d’antennes ou bien le pré-codage à un seul relai à plusieurs antennes, alors que d’autres utilisent la sélection de relai(s) lorsque plusieurs relais à une seule antenne sont disponibles pour assister la transmission primaire, la transmission secondaire ou les deux simultanément. Le problème d’allocation de puissance ou de pré-codage associé est étudié, et les expressions exactes des probabilités de blocage primaire et/ou secondaire ou de capacité ergodique secondaire sont dérivées. Pour certaines des techniques proposées, la connaissance imparfaite des canaux de transmission est prise en compte, modifiant ainsi la résolution du problème d’allocation de puissance ou de pré-codage associé. Nous montrons par analyse et simulation que chacune des techniques de coopération proposée est capable d’améliorer considérablement la performance secondaire, tout en respectant la qualité de service primaire. Ces performances dépassent d’une manière significative celles des techniques de transmission conventionnelles (techniques coopératives ou non) utilisées dans le contexte du réseau à radio cognitive.---------- ABSTRACT Cognitive radio technology allows unlicensed users (called secondary users) to transmit on the licensed frequency bands, without degrading the quality-of-service of the licensed users’ transmissions (called primary users). In order to avoid undesirable interference at the primary receivers, the secondary transmitters have to limit their transmit power. This limitation may cause performance degradation for the secondary transmissions. Combining cognitive radio with other emerging technologies, such as user cooperation and multiple antennas may have many benefits on both the primary and secondary transmissions. In this dissertation, we propose and investigate different cooperation techniques for the cognitive radio network. Some of the proposed techniques exploit antenna selection or precoding at one multi-antenna relay node, while the other proposed techniques use relay(s) selection when several single-antenna relay nodes are available to assist either the primary, the secondary or both transmissions simultaneously. The associated power allocation problem or pre-coding problem is investigated and the exact expressions of the primary and secondary outage probabilities or the secondary ergodic capacity are derived. For some of the proposed techniques, the imperfect knowledge of the channel states at the secondary transmitters is taken into account, hence modifying the power allocation or pre-coding process. We show by analysis and simulation that each of the proposed cooperation technique is able to improve significantly the secondary performance with respect to the primary Quality-of-Service. The realized performances outperform those of conventional transmission techniques used in the context of cognitive radio networks