Abstract

In the current LTE-Advanced system, decode-and-forward (DF) is leveraged for cooperative relaying, where the erroneously decoded sequences are discarded at the relay, resulting in a waste of resources. The reason lies in that the erroneously decoded sequence can provide a certain amount of useful information about the source at the destination. Therefore, we develop a new relaying scheme, called lossy DF (also known as lossy forward (LF)), where the relay always forwards the decoded sequence to the destination. Beneficial from the always-forward principle, it has been verified that LF relaying outperforms DF relaying in terms of outage probability, ε-outage achievable rate, frame error rate (FER), and communication coverage.

Three exemplifying network scenarios are studied in this thesis: the one-way multiple-input multiple-output (MIMO) relay network, the multiple access relay channel (MARC), and the general multi-source multi-relay network.

We derive the outage probability of the one-way MIMO relay networks under the assumption that the orthogonal space-time block code (OSTBC) is implemented at the transmitter side for each individual transmission. Interestingly, we find that the diversity order of the OSTBC based one-way MIMO relay network can be interpreted and formulated by the well-known max-flow min-cut theorem, which is widely utilized to calculate the network capacity. For the MARC, non-orthogonal transmission is introduced to further improve the network throughput compared to its orthogonal counterpart. The region for lossless recovery of both sources is formulated by the theorem of multiple access channel (MAC) with a helper, which combines the Slepian-Wolf rate region and the MAC capacity region. Since the region for lossless recovery is obtained via sufficient condition, the derived outage probability can be regarded as a theoretical upper bound.

We also conduct the performance evaluation by exploiting different accumulator (ACC) aided turbo codes at the transmitter side, exclusive or (XOR) based multi-user complete decoding at the relay, and iterative joint decoding (JD) at the destination. For the general multi-source multi-relay network, we focus on the investigation the end-to-end outage probability. The performance improvement of LF over DF is verified through theoretical analyses and numerical results in terms of outage probability.

Tiivistelmä

Tämän päivän LTE-A-tiedonsiirtojärjestelmissä hyödynnetään dekoodaa-ja-välitä (decode-and-forward, DF) menetelmää yhteistoiminnalliseen tiedon edelleenlähetykseen (relaying) siten, että virheellisesti vastaanotetut sekvenssit hylätään välittimessä (relay). Tämä on resurssien hukkaamista, sillä virheellisissäkin viesteissä on informaatiota, jota voidaan hyödyntää vastaanottimessa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan uutta häviöllistä DF-menetelmää, johon viitataan nimellä häviöllinen välitys (lossy forward, LF). Menetelmässä välitin lähettää informaation aina eteenpäin olipa siinä virheitä tai ei. Sen etuna verrattuna perinteiseen DF-menetelmään, on parantunut luotettavuus metriikoilla jossa mitataan vastaanoton todennäköisyyttä ja verkon peittoaluetta.

Väitöskirjassa tarkastellaan LF-menetelmää kolmessa eri verkkotopologiassa jotka ovat yksisuuntainen monitulo-monilähtövälitinverkko (multiple-input multiple-output, MIMO), moniliityntävälitinkanava (multiple access relay channel, MARC), sekä yleinen moniläheinen monivälitinverkko.

Työssä johdetaan matemaattinen esitys estotilan todennäköisyydelle (outage probability) yksisuuntaisessa MIMO-välitinverkossa olettaen ortogonaalisen tila-aika lohkokoodin (orthogonal space-time block code, OSTBC) käyttö. Estotilan todennäköisyys esitetään käyttäen toisteastta (diversity order), joka saadaan johdettua tunnetusta max-flow min-cut lauseesta, jota puolestaan käytetään yleisesti erilaisten verkkojen kapasiteettien laskentaan. MARC-topologiassa hyödynnetään ei-ortogonaalista lähetystä verkon datavirran kasvattamiseen. Häviöttömän lähetyksen informaatioteoreettinen kapasiteettialue saadaan johdettua MAC-auttajan kanssa. Lähestymistavassa Slepian-Wolf- sekä MAC-kapasiteettialueet yhdistyvät. Alueelle, jossa kahden lähteen lähetysnopeudet ovat sellaiset, että vastaanotto on häviötöntä, annetaan riittävä ehto, jolloin johdettu estotilan todennäköisyys on teoreettinen yläraja.

Suorituskykyä evaluoidaan myös tietokonesimulaatioilla, joissa käytetään erilaisia akkumulaattoriavusteisia turbokoodeja lähettimessä, ehdoton tai (exclusive or, XOR) pohjaista monen käyttäjän dekoodausta välittimessä sekä iteratiivista yhteisdekoodausta vastaanottimessa. Yleisessä monilähteisessä monivälitinverkossa keskitytään alkuperäisen lähetyksen estotilatodennäköisyyteen. Teoreettinen analyysi sekä simulaatiot osoittavat, että LF:n estotilan todennäköisyys on pienempi kuin DF:n.