Relay Technology in Cellular Networks

Relay technology has been explored and studied for decades, ranging from generic multi-hop mobile ad hoc networks to most recent collaborative multiple-input multiple-output (MIMO) cellular networks. Deploying low cost relays reduces the infrastructure cost of establishing new base stations in order to improve the cell coverage and system capacity of next generation cellular networks. For efficient heterogeneous network planning, fixed relays are considered as one of the main enhancing technologies in 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Long Term Evolution Advanced (LTE-A). The function of the relay station can be described simply as a device which assists in transmissions between the local base station and the mobile station. Since the performance of relay transmissions is strongly affected by the collaborative strategy in dense wireless networks, the relay selection always attracts research attentions. In this thesis, the symbol error probability of the selective decode-and-forward (DF) relaying strategy is derived to explore the selection diversity. Furthermore, an effective joint beamforming vector design and relay selection scheme for a MIMO relay system are proposed. In addition, two main relay deployment scenarios are addressed in this thesis: the fixed relay and the mobile relay. The LTE relay is a fixed relay which is located near the cell edge. A dynamic system level simulator is developed to evaluate the downlink transmission performance of fixed relay-enhanced LTE-A systems. With deployment of a high number of relay nodes inter-cell interference and resource management problems increase. An adaptive beamforming strategy with limited feedback is proposed to reduce inter-cell interference. The proposed algorithm has been applied in relay-enhanced LTE-A cellular networks to show its advantage. Furthermore, we study the concept of shared relays, in which a relay station is deployed at the intersection of neighboring macro cells. An efficient resource allocation and scheduling scheme based on the sub-frame structure of LTE-A is proposed to maximize the benefit of shared relays. As the penetration rate of mobile phones, especially smart phones keeps increasing, users in public transportation expect high speed wireless services. Recently, the mobile relay for high speed railways has gained significant interest. A system level simulator is developed to investigate the capacity and handover performance of the mobile relay in a high speed railway scenario. Furthermore, a coordinated mobile relay node (MRN) strategy is proposed to combat co-channel interference and handover delay problems in a conventional mobile relay system.Die Relaistechnik für Funksysteme wurde seit Jahrzehnten erforscht und untersucht, angefangen von generischen mobilen Multi-Hop Ad-hoc-Netzwerken bis hin zu kollaborativen multiple-input multiple-output (MIMO) Mobilfunknetzen. Das Aufstellen kostengünstiger Relais reduziert die Infrastrukturkosten für den Aufbau neuer Basisstationen, um die Zellabdeckung und die Systemkapazität von Mobilfunknetzen der nächsten Generation zu verbessern. Für eine effiziente heterogene Netzwerkplanung werden ''fixed relays'' (Festrelais) als eine der Technologien in 3GPP LTE-Advanced betrachtet, welche die größten Verbesserungen aufweisen. Die Funktion der Relaisstation kann beschrieben werden als eine Vorrichtung, welche bei der Übertragung zwischen der lokalen Basisstation und der Mobilstation unterstützend wirkt. Da die Leistung von Relaisübertragungen stark von der Kooperationsstragie in dichten Funknetzwerken abhängt, erregt die Relaisauswahl stets die Aufmerksamkeit der Forschung. In dieser Arbeit wird die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit der selektiven decode-and-forward (DF) Relais-Strategie abgeleitet, um den Diversitätsgewinn Auswahldiversität zu untersuchen. Weiterhin wurde ein gemeinsames Strahlformungsvektor-Design und Relais-auswahlschema für ein MIMO-Relais-System vorgestellt. Des Weiteren werden in dieser Arbeit zwei wesentliche Relais-Verteilungsszenarien untersucht: das Festrelais-Szenario und das Mobilrelais-Szenario. Das LTE Relais ist ein Festrelais, welches nah an dem Zellenrand liegt. Ein dynamischer System-Level-Simulator wurde entwickelt, um die Downlink-Übertragungsleistung von mit Festrelais erweiterten LTE-A-Systemen zu evaluieren. Bei der Verwendung einer hohen Anzahl von Relaisknoten steigt zum einem die Interzellinterferenz und zum anderen die Problematik des Ressourcenmanagements. Es wird eine adaptive Strahlformungsstrategie mit wenig zurückgekoppelte Information vorgestellt, um Zellinterferenzprobleme zu reduzieren. Der vorgestellte Algorithmus wird auf ein mit Relaisstationen erweitertes LTE-A-Mobilfunknetz angewendet, um seine Vorteile aufzuzeigen. Weiterhin wird das Konzept eines gemeinsam genutzten Relais untersucht, in welchem eine Relaisstation an der Grenze von benachbarten Makrozellen aufgestellt wird. Es wird ein effizientes Ressourcenzuweisungs- und Zeitplanungsschema, basierend auf der Sub-Rahmenstruktur, vorgestellt, um den Vorteil von gemeinsam genutzten Relais zu maximieren. Da die Verbreitungsrate von Mobiltelefonen, besonders von Smartphones, weiter ansteigt, werden Benutzer auch in öffentlichen Verkehrsmitteln drahtlose Hochgeschwindigkeitsdienste erwarten. In letzter Zeit hat das Mobilrelais für Hochgeschwindigkeitszüge große Bedeutung gewonnen. Es wurde daher ein System-Level-Simulator entwickelt, um die Kapazität und Übergabgeleistungsfähigkeit von Mobilrelais in Hochgeschwindigkeitszug-Szenarios zu untersuchen. Zusätzlich wird eine koordinierte Mobilrelais-Strategie zur Bekämpfung von Gleichkanalinterferenz und Übergabeverzögerungsproblemen in herkömmlichen Mobilrelaissystemen vorgestellt

Opportunistic traffic Offloadings Mechanisms for Mobile/4G Networks

In the last few years, it has been observed a drastic surge of data traffic demand from mobile personal devices (smartphones and tablets) over cellular networks [1]. Even though a significant improvement in cellular bandwidth provisioning is expected with LTE-Advanced systems, the overall situation is not expected to change significantly. In fact, the diffusion of M2M and IoT devices is expected to increase at an exponential pace (the share of M2M devices is predicted to increase 5x by 2018 [1]) while the capacity of the cellular network is expected to increase linearly [1]. In order to meet such a high demand and to increase the capacity of the channel, multiple offloading techniques are currently under investigation, from modifications inside the cellular network architecture, to integration of multiple wireless broadband infrastructures, to exploiting direct communications between mobile devices. All these approaches can be diveded in two main classes: - To develop more sophisticated physical layer technologies (e.g. massive MIMO, higher-order modulation schemes, cooperative multi-period transmission/reception) - To offload part of the traffic from the cellular to another complementary network. From this perspective the thesis contributes on both areas. On the one hand we discuss our investigations about the performance of the LTE channel capacity through the development of a unified modelling framework of the MAC-level downlink throughput of a sigle LTE cell, which caters for wideband CQI feedback schemes, AMC and HARQ protocols as defined in the LTE standard. Furthemore we also propose a solution, based on reinforcement learning, to improve the LTE Adaptive Modulation and coding Scheme (MCS). On the other hand we have proposed and validated offloading mechanisms which are minimally invasive for users' mobile devices, as they use only minimally their resources. Furthemore, as opposed to most of the literature, we consider the case where requests for content are non-synchronised, i.e. users request content at random points in time