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

Fundamental Limits of Network Communication with General Message Sets: A Combinatorial Approach

The classical theoretical framework for communication networks is based on the simplifying assumption that each message to be sent is known to a single transmitter and intended for a single receiver. Modern communication protocols reflect this framework by treating the physical layer as a network of individual links. However, this wireline view of wireless communications fails to account for the heterogeneous nature of network demands, consisting of both unicast and multicast services, and can fail to leverage the inherent broadcast advantage of the wireless medium. This thesis extends the classical framework of a private-message interface to the physical layer to one with both private and common messages. A key difficulty, in both the description and analysis of a communication model with general messages sets, is that there are combinatorially many message possibilities. With order-theoretic language and tools from combinatorial optimization and graphical models, we develop a general framework for characterizing the fundamental limits of information transfer over large many-to-one (multiple access) and one-to-many (broadcast) communication channels with general message sets. In particular, achievable regions are proposed for arbitrary such channels. For the multiple-access channel, the achievable region is optimal, and the order-theoretic perspective both unifies and extends previous results. For the broadcast channel, the region is specialized to an inner bound to the Degree of Freedom region, a setting where it is provably optimal in select cases. This thesis provides fresh insights into the long-standing random coding technique of superposition coding to arrive at these results. Governing constraints on reliable communication through superposition coding are shown to be polymatroidal over a lattice of subsets that may not be the boolean lattice of all subsets. Permissible input distributions for superposition coding are concisely characterized through directed graphical models of conditional dependencies. The two-user interference channel is also addressed, where the state-of-the art is extended from the case with two private messages to one with an additional common message

Multi-user MIMO wireless communications

Mehrantennensysteme sind auf Grund der erhöhten Bandbreiteneffizienz und Leistung eine Schlüsselkomponente von Mobilfunksystemen der Zukunft. Diese ermöglichen das gleichzeitige Senden von mehreren, räumlich getrennten Datenströmen zu verschiedenen Nutzern. Die zentrale Fragestellung in der Praxis ist, ob der ursprünglich vorausgesagte Kapazitätsgewinn in realistischen Szenarios erreicht wird und welche spezifischen Gewinne durch zusätzliche Antennen und das Ausnutzen von Kanalkenntnis am Sender und Empfänger erzielt werden, was andererseits einen Zuwachs an Overhead oder nötiger Rechenleistung bedeutet. In dieser Arbeit werden neue lineare und nicht-lineare MU-MIMO Precoding- Verfahren vorgestellt. Der verfolgte Ansatz zur Bestimmung der Precoding- Matrizen ist allgemein anwendbar und die entstandenen Algorithmen können zur Optimierung von verschiedenen Kriterien mit beliebig vielen Antennen an der Mobilstation eingesetzt werden. Das wurde durch die Berechnung der Precoding- Matrix in zwei Schritten erreicht. Im ersten Schritt wird die Überschneidung der Zeilenräume minimiert, die durch die effektiven Kanalmatrizen verschiedener Nutzer aufgespannt werden. Basierend auf mehreren parallelen Einzelnutzer-MIMO- Kanälen wird im zweiten Schritt die Systemperformanz bezüglich bestimmter Kriterien optimiert. Aus der gängigen Literatur ist bereits bekannt, dass für Nutzer mit nur einer Antenne das MMSE Kriterium beim precoding optimal aber nicht bei Nutzern mit mehreren Antennen. Deshalb werden in dieser Arbeit zwei neue Mehrnutzer MIMO Strategien vorgestellt, die vom MSE Kriterium abgeleitet sind, nämlich sukzessives MMSE und RBD. Bei der sukzessiven Verarbeitung mit einer entsprechenden Anpassung der Sendeleistungsverteilung kann die volle Diversität des Systems ausgeschöpft werden. Die Kapazität nähert sich dabei der maximalen Summenrate des Systems an. Bei gemeinsamer Verarbeitung der MIMO Kanäle wird unabhängig vom Grad der Mehrnutzerinterferenz die maximale Diversität erreicht. Die genannten Techniken setzen entweder eine aktuelle oder eine über einen längeren Zeitraum gemittelte Kanalkenntnis voraus. Aus diesem Grund müssen die Auswirkungen von Kanal-Schätzfehlern und Einflüsse des Transceiver Front-Ends auf die Verfahren näher untersucht werden. Für eine weitergehende Abschätzung der Mehrantennensysteme muss die Performanz des Gesamtsystems untersucht werden, da viele Einflüsse auf die räumliche Signalverarbeitung bei Betrachtung eines einzelnen Links nicht erkennbar sind. Es wurde gezeigt, dass mit MIMO Precoding Strategien ein Vielfaches der Datenrate eines Systems mit nur einer Antenne erzielt werden kann, während der Overhead durch Pilotsymbole und Steuersignale nur geringfügig zunimmt.Multiple-input, multiple-output (MIMO) systems are a key component of future wireless communication systems, because of their promising improvement in terms of performance and bandwidth efficiency. An important research topic is the study of multi-user (MU) MIMO systems. Such systems have the potential to combine the high throughput achievable with MIMO processing with the benefits of space division multiple access (SDMA). The main question from a practical standpoint is whether the initially predicted capacity gains can be obtained in more realistic scenarios and what specific gains result from adding more antennas and overhead or computational power to obtain channel state information (CSI) at the transceivers. In this thesis we introduce new linear and non-linear MU MIMO processing techniques. The approach used for the design of the precoding matrix is general and the resulting algorithms can address several optimization criteria with an arbitrary number of antennas at the user terminals (UTs). This is achieved by designing the precoding matrices in two steps. In the first step we minimize the overlap of the row spaces spanned by the effective channel matrices of different users. In the next step, we optimize the system performance with respect to the specific optimization criterion assuming a set of parallel single-user MIMO channels. As it was previously reported in the literature, minimum mean-squared-error (MMSE) processing is optimum for single-antenna UTs. However, MMSE suffers from a performance loss when users are equipped with more than one antenna. The two MU MIMO processing techniques that result from the two different MSE criteria that are proposed in this thesis are successive MMSE and regularized block diagonalization. By iterating the closed form solution with appropriate power loading we are able to extract the full diversity in the system and empirically approach the maximum sum-rate capacity in case of high multi-user interference. Joint processing of MIMO channels yields maximum diversity regardless of the level of multi-user interference. As these techniques rely on the fact that there is either instantaneous or long- term CSI available at the base station to perform precoding and decoding, it was very important to investigate the influence of the transceiver front-end imperfections and channel estimation errors on their performance. For a comprehensive assessment of multi-antenna techniques, it is mandatory to consider the performance at system level, since many effects of spatial processing are not tractable at the link level. System level investigations have shown that MU MIMO precoding techniques provide several times higher data rates than single-input single-output systems with only slightly increased pilot and control overhead