Propagation measurement based study on relay networks

Von der nächsten Generation von Mobilfunksystemen erwartet man eine umfassende Versorgung mit breitbandigen Multimediadiensten. Um die dafür erforderliche flächendeckende Versorgung mit hohen Datenraten zu gewährleisten, können Relay-Netzwerke einen wesentlichen Beitrag liefern. Hierbei werden Netzwerkstationen mit Relay-Funktionalität in zellulare Netzwerke integriert. Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung Relay-basierter Netzwerke unter Verwendung von Ausbreitungsmessungen. Die Arbeit deckt Fragen zur Kanalmodellierung, Systemevaluierung bis hin zur Systemverifikation ab. - Zunächst wird ein auf Funkkanalmessungen beruhendes experimentelles Kanalmodell für Relay-Netzwerke vorgestellt. Im Weiteren werden technische Verfahren für Mehrfachzugriffs-Relay-Netzwerke MARN diskutiert. Die erreichbare Systemleistung wurde unter Verwendung von Rayleigh-Kanälen innerhalb einer Systemsimulation bestimmt und im Anschluss mit realen Kanälen, die sowohl direkt aus Funkkanalmessungen als auch indirekt aus dem bereits erwähnten Kanalmodell abgeleitet wurden, verifiziert. Bisherige Arbeiten zur Modellierung breitbandiger Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Kanäle berücksichtigen nicht oder nur sehr stark vereinfacht die Langzeitkorrelationseigenschaften zwischen den Links und werden damit der vermaschten und räumlich weit verteilten Topologie von Relay-Netzwerken gerecht. In der vorliegenden Dissertation erfolgte daher eine experimentelle Untersuchung zu den Korrelationseigenschaften von Large-Scale-Parametern LSP, die unter Verwendung von Funkkanalmessdaten aus urbanen Umgebungen und aus Innenräumen abgeleitet wurden. Die Ergebnisse hierzu fanden Eingang in das vom WINNER-Projekt entwickelte Kanalmodell. Sie erlauben damit eine realistischere Simulation von Relay-unterstützten Netzen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit stellen technische Verfahren dar, die eine Erhöhung der Systemleistung in MARN mit unbekannter Interferenz UKIF versprechen. Im Einzelnen handelt es sich um die Mehrfachzugriffs-Kodierung MAC - die eine verbesserte Signaltrennung auf der Empfängerseite und eine Erhöhung des Datendurchsatzes erlaubt, den Entwurf eines Relay-Protokolls zur Erhöhung der Systemeffizienz, einen Minimum Mean Square Error (MMSE) Algorithmus zur Unterdrückung unbekannter Interferenzen bei Erhaltung der MAC-Signalstruktur mehrerer Mobilstationen MS, und ein fehlererkennungsbasiertes Signalauswahlverfahren zur Diversitätserhöhung. Die vorgenannten Verfahren werden in einer Systemsimulation zunächst mit Rayleigh-Kanälen evaluiert und demonstrieren die erzielbare theoretische Leistungssteigerung. Die Berücksichtigung realer Funkkanäle innerhalb der Systemsimulation zeigt allerdings, dass die theoretische Systemleistung so in der Realität nicht erreichbar ist. Die Ursache hierfür ist in den idealisierten Annahmen theoretischer Kanäle zu suchen. Für die Entwicklung künftiger Relay-Netzwerke bieten die in dieser Arbeit aufbereiteten Erkenntnisse hinsichtlich der Langzeitkorrelationseigenschaften zwischen den Links einen wertvollen Beitrag für die Abschätzung ihrer Systemleistung auf der Basis eines verbesserten Kanalmodells.Considering technological bases of next generation wireless systems, it is expected that systems can provide a variety of coverage requirements to support ubiquitous communications. To satisfy the requirements, an innovative idea, integrating network elements with a relaying capability into cellular networks, is one of the most promising solutions. The main topic of this dissertation is a propagation measurement based study on relay networks. The study includes three parts: channel modeling, performance evaluation, and verification. First of all, an empirical channel model for relay networks is proposed based on statistical analyses of measurement data. Then, advanced techniques for the throughput improvement and interference cancellation are proposed for Multiple Access Relay Networks (MARN) which are used as an example of relay networks. The performance of the considered MARN is evaluated for Rayleigh channels, and then verified for realistic channels, obtained from measurement data and from the experimental relay channel model as well. For relay channel modeling, the long-term correlation properties between links are of crucial importance due to the meshed-network topology. Although, there is a wide variety of research results for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) channel modeling available, the characterization of correlation properties has been significantly simplified or even completely ignored which motivates this research to be performed. In this dissertation, the experimental results of the correlation properties of Large Scale Parameters (LSP) are presented through the analysis on the real-field measurement data for both the urban and indoor scenarios. furthermore, the correlation properties have been fully introduced into the WINNER channel Model (WIM) for realistic relay channel simulations. As a further contribution of this dissertation, various advanced techniques are proposed for MARN in the presence of Unknown Interference (UKIF). Multiple Access Coding (MAC) is introduced as a multiple access technique. The use of MAC provides the signal separability at the receiver and improves throughput. Thereafter, high system resource efficiency can be achieved through relay protocol design. At the receiver, Minimum Mean Square Error (MMSE)-based spatial filtering is used to suppress UKIF while preserving multiple Mobile Station (MS)s’ MAC-encoded signal structure. Furthermore, an error detection aided signal selection technique is proposed for diversity increasing. The theoretical system performance with aforementioned techniques is simulated for Rayleigh channels. Thereafter, realistic channels are exploited for the performance verification. The gap between the theoretical performance and the realistic performance indicates that the assumptions made to the simplified Rayleigh-channels do not fully hold in reality. For the future relay system design, this work provides valuable information about the performance evaluation of relay networks in consideration of the correlation properties between links

5G embraces satellites for 6G ubiquitous IoT : basic models for integrated satellite terrestrial networks

Terrestrial communication networks mainly focus on users in urban areas but have poor coverage performance in harsh environments, such as mountains, deserts, and oceans. Satellites can be exploited to extend the coverage of terrestrial fifth-generation (5G) networks. However, satellites are restricted by their high latency and relatively low data rate. Consequently, the integration of terrestrial and satellite components has been widely studied, to take advantage of both sides and enable the seamless broadband coverage. Due to the significant differences between satellite communications (SatComs) and terrestrial communications (TerComs) in terms of channel fading, transmission delay, mobility, and coverage performance, the establishment of an efficient hybrid satellite-terrestrial network (HSTN) still faces many challenges. In general, it is difficult to decompose a HSTN into a sum of separate satellite and terrestrial links due to the complicated coupling relationships therein. To uncover the complete picture of HSTNs, we regard the HSTN as a combination of basic cooperative models that contain the main traits of satellite-terrestrial integration but are much simpler and thus more tractable than the large-scale heterogeneous HSTNs. In particular, we present three basic cooperative models, i.e., model X, model L, and model V, and provide a survey of the state-of-the-art technologies for each of them. We discuss future research directions towards establishing a cell-free, hierarchical, decoupled HSTN. We also outline open issues to envision an agile, smart, and secure HSTN for the sixth-generation (6G) ubiquitous Internet of Things (IoT)

New Approaches Using Cognitive Radio in Green Networking

The green networks are energy-efficient network architectures and we consider them as the basis of the wireless communication optimizing energy usage. Indeed, future communication technologies are moving in this direction, meaning that they will be less energy-intensive and, in some cases, even energy self-sufficient. Specifically, cognitive radio (CR) networks, cooperative relay networks, and non-orthogonal multiple access (NOMA) techniques have been considered as effective means to facilitate energy harvesting (EH) and a power spectrum allocation for the minimization of total transmit power, hence, making the wireless communication greener. The dissertation consists of three research sections corresponding to the aims. The first aim deals with an radio frequency (RF) wireless energy transfer model for D2D systems. In order to harvest more energy, a multiple-antenna base station and a power beacon are adopted for the D2D transmission network. We derive expressions outage probability in closed-forms. Further, independent simulations are used to validate the exactness of the theoretical expressions. In the second aim, new cooperative system models are proposed and studied. To reach the second aim, the secondary source acts as a relay and employs Amplify and Forward (AF) mode to serve distant NOMA users under a given interference constraint. To provide a detailed examination of the system performance metrics, we derived closed-form formulas for the outage probability and average throughput of the multi-users in the presence of interference constraints. In the last aim of the dissertation, we designed a new system model for a hybrid satellite-terrestrial cognitive network (HSTCN) relying on NOMA interconnecting a satellite and multiple terrestrial nodes. Reliability and security of transmission were studied to minimize the total transmit power. To reach the third aim, we examined the following performance factors: outage probability, hardware impairment, intercept probability, and average throughput. The novel closed-forms expressions of these performance factors are derived. The last but not at least, we simulated the new HSTCN system model. The achieved results figured that the new proposed approaches make it possible to take into account service quality requirements and are applicable in future green networking.Zelené sítě jsou energeticky efektivní síťové architektury a považujeme je za základ bezdrátové komunikace optimalizující spotřebu energie. Tímto směrem se ubírají budoucí komunikační technologie, což znamená, že budou méně energeticky náročné a v některých případech dokonce energeticky soběstačné. Kognitivní rádiové (CR) sítě, kooperativní relay sítě a neortogonální vícenásobné přístupové (NOMA) techniky jsou považovány za účinný prostředek k usnadnění získávání energie (EH) a přidělování výkonového spektra pro minimalizaci celkového vysílacího výkonu, díky čemuž je bezdrátová komunikace zelenější. Disertační práce se skládá ze tří výzkumných částí odpovídajících cílům. První cíl se zabývá modelem bezdrátového přenosu radiofrekvenční (RF) energie pro systémy D2D. Aby bylo možné získat více energie, jsou pro přenosovou D2D síť použity základnové stanice s více anténami a napájecím radiomajákem. Pro navržený model jsou odvozeny pravděpodobnosti výpadků, kdy tyto výrazy jsou v uzavřené formě. Dále jsou k ověření platnosti získaných teoretických výrazů použity nezávislé simulace. Ve druhém cíli jsou navrženy a zkoumány nové modely kooperativního systému. Aby bylo dosaženo druhého cíle, sekundární zdroj funguje jako relay uzel a využívá režim AF (Amplify and Forward), který slouží vzdáleným NOMA uživatelům za specifických interferenčních podmínek. Abychom poskytli podrobné zhodnocení výkonnostních metrik systému, odvodili jsme vztahy v uzavřené formě pro pravděpodobnost výpadků a průměrnou propustnost více uživatelů za přítomnosti interferenčních omezení. V posledním cíli disertační práce jsme navrhli nový systémový model pro hybridní satelitně-terestrickou kognitivní síť (HSTCN) založenou na neortogonálním vícenásobném přístupu (NOMA) propojující satelit a více terestrických uzlů. Zkoumána byla spolehlivost a zabezpečení přenosu s důrazem na minimalizaci celkového vysílacího výkonu. Pro dosažení třetího cíle jsme zkoumali následující výkonnostní faktory: pravděpodobnost výpadku, poškození hardwaru, pravděpodobnost zachycení a průměrnou propustnost. Pro tyto výkonnostní faktory jsou odvozeny v uzavřených formách nové výrazy. V neposlední řadě jsme rovněž simulovali nový systémový HSTCN model. Dosažené výsledky potvrdily, že nově navržené přístupy umožňují zohledňovat požadavky na kvalitu služeb a jsou použitelné v budoucích zelených sítích.440 - Katedra telekomunikační technikyvyhově

Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks