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Autor: Peter Rost
Titel: Opportunities, Benefits, and Constraints of Relaying in Mobile Communication Systems
Typ: Dissertation
Fachgebiet: Informationstechnik
Reihe: Mobile Nachrichtenübertragung, Nr.: 46
Auflage: 1
Sprache: Englisch
Erscheinungsdatum: August 2009
Lieferstatus: Lieferbar
Umfang: 220 Seiten
Bindung: Soft
Preis: 49,00 EUR
ISBN: 9783938860236
Umschlag: (vorn)
Inhaltsverzeichnis: (pdf)


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Abstrakt in Englisch

Over the last decade wireless and mobile communication has become manifest in our everyday life. Furthermore, the development of ever increasing data rates, seamless mobility, and unlimited flexibility will not decline but rather accelerate. While existing mobile communication networks improved service quality and reached more users than ever before, new markets developed all over the world where mobile communication continues its success story with an unknown growth. Motivated by the chances and benefits, wireless and mobile communication systems undergo a change from only providing voice and other multimedia message services to systems which deliver internet to any place in the world. However, this ambitious goal cannot be accomplished with conventional cellular systems and instead requires new technologies such as multi-cell cooperation, movable radio access points without backhaul connection, and multiple-antenna transmission.

Among the most challenging problems in cellular networks is inter-cell interference. In order to assure sufficient quality of service, currently deployed systems try to avoid interference by coordinating resources such that two adjacent areas do not use the same spectrum. By contrast, multi-cell cooperation aims at exploiting interference instead of avoiding it, which is achieved by an additional cooperation among multiple radio access points instead of solely coordinating resources.
Furthermore, the density of radio access points in currently deployed cellular networks increases in order to improve the reuse of available resources and to serve more user terminals at high data rates. This implies higher deployment costs which demands low-cost and flexible alternatives. In this thesis relaying is introduced as one possibility to increase the number of radio access points, to improve the resource reuse, and to organize cellular networks more flexibly. However, relay nodes also introduce more interference in the network, which demands more sophisticated interference mitigation algorithms.

This thesis discusses at first the full-duplex relay channel where multiple relay nodes support a single communication pair. Using this channel, coding strategies with different complexity and operating regions are introduced and evaluated in the context of a Gaussian system model. Through this performance analysis, simple high-performance protocols are identified and applied in the remainder of this thesis.
Building on this analysis, the half-duplex relay channel introduces the orthogonality constraint, which prohibits simultaneous receiving and transmitting on the same time-frequency resource. Based upon this more practical consideration, different protocols are introduced, discussed, and again evaluated using a Gaussian system model.

Using the interference and broadcast channel, the half-duplex relay-channel is extended by a scenario with multiple communication pairs each supported by multiple relay nodes. With such a system model upcoming challenges in relay-based next generation mobile communication networks can be modeled and evaluated. For instance, protocols with coordination and cooperation on both source-to-relay and relay-to-user links are introduced and discussed.
In order to analyze the extended relay-channel, the discussed protocols are applied to a setup, which uses a simplified channel model derived from a mobile communication system. The outcome is that a simple cascade of inter-source cooperation and interrelay coordination achieves significant rate improvements over conventional systems while providing a significant amount of flexibility.

The analysis is rounded off with a system-level evaluation, which applies the previously derived protocols to a mobile communication system. For instance, an urban macro and micro-cellular scenario are discussed using the achievable rates and throughput within the respective scenario. Furthermore, a cost-benefit analysis is carried out, which focuses on the tradeoff between necessary costs to deploy relay nodes and achieved benefits through relaying. Using this evaluation, this work provides a proof-ofconcept for relaying as an integral part of next generation mobile communication systems.

This thesis develops step-by-step a proposal for a relay-based mobile communication system. It shows that simple protocols, which decode and forward the source message appear favorable in a mobile communication system with fixed relay nodes. A cooperative access from source nodes to relay nodes is able to improve data rates on the feederlink and therefore counteract the loss caused by the half-duplex channel access of relay nodes. Thereafter, using multiple micro-cells relay nodes can improve the spectrum reuse while keeping the additional deployment costs low. Hence, for the analyzed scenarios relaying appears to be an interesting and viable possibility to improve data rates and flexibility in next generation mobile communication networks.

Abstrakt in Deutsch

In den letzten Jahren konnte sich drahtlose und mobile Kommunikation als fester Bestandteil unseres täglichen Lebens etablieren, wobei die Entwicklung hin zu immer höheren Datenraten, grenzenloser Mobilität, sowie unbegrenzter Flexibilität keinen Abbruch nimmt sondern stetig ansteigt.Während bestehende Mobilfunknetzwerke die erreichbaren Raten und die Anzahl unterstützter Nutzer erhöhen, werden immer neueMärkte erschlossen in denen dieMobilfunkkommunikation ihren Siegeszug fortsetzt. Drahtlose und mobile Funknetze durchlaufen eine Entwicklung von Sprach- oderMultimediadiensten hin zu Systemen, welche den primären Anschluss an das Internet darstellen. Um dieses anspruchsvolle Ziel zu erreichen, werden neue Technologien benötigt, wie z.B. Kooperation mehrerer Zellen, bewegliche Zugriffsknoten ohne Festnetzanbindung an das Datennetzwerk sowie Mehrantennenübertragung.

Zu den herausfordensten Problemen in zellularen Funknetzen gehört wohl die Interferenz zwischen den einzelnen Zellen. Um eine hinreichende Dienstequalität zu gewährleisten, koordinieren heutige Netze ihre Ressourcen so, dass zwei sich angrenzende Zellen unterschiedliche spektrale Ressourcen verwenden. Im Gegensatz dazu nutzt man Interferenz in Systemen mit Mehrzellenkooperation aus, indem z.B. mehrere Basisstationen kooperativ Nutzer versorgen anstatt lediglich die verwendeten Ressourcen zu koordinieren.
Zudem wird die Dichte an Zugriffsknoten in derzeit verwendeten Systemen stetig erhöht, um die Wiederverwendung des Spektrums zu verbessern und die Anzahl der versorgten Nutzer zu erhöhen. Die Erhöhung der Knotendichte bedeutet jedoch eine Zunahme der notwendigen Aufbaukosten und erfordert darüber hinaus flexible und kostengünstige Alternativen zu bestehenden Technologien. In dieser Arbeit wird Relaying als eine solche Möglichkeit eingeführt, um die Dichte der Zugriffsknoten zu erhöhen, die Wiederverwendung des Spektrums zu verbessern sowie die Organisation des Netzwerkes flexibler zu gestalten. Nichtsdestotrotz verursacht Relaying auch eine Zunahme der Interferenz innerhalb der einzelnen Zellen, wodurch neue Algorithm zur Interferenzunterdrückung notwendig sind.
Zunächst führt diese Arbeit den Vollduplex-Relaykanal ein, in dem ein einzelnes Kommunikationspaar durch mehrere Vollduplex-Relayknoten unterstützt wird. Mit Hilfe dieses Kanals werden Kodierstrategien mit unterschiedlicher Komplexität und Wirkungsregionen eingeführt und anschliessend für ein Systemmodell mit Gaussch'schen Rauschen evaluiert. Diese Analyse identifiziert einfache Protokolle mit hinreichender Leistung, welche auch im weiteren Verlauf der Arbeit verwendet werden. Aufbauend auf dieser Analyse führt anschliessend der Halbduplex-Relaykanal die Orthogonalitätsbedingung ein, welche besagt, dass ein Relayknoten nicht auf der gleichen Zeit-Frequenzresource senden und empfangen kann. Auch für diesen Kanal werden verschiedene Protokolle vorgestellt, diskusiert sowie mit Hilfe eines Kanals mit Gauss'scher Signalisierung evaluiert.

Daran anschliessend wird der Halbduplex-Relaykanal mit mehreren, parallen Kommunikationspaaren auf Basis des Broadcast- und Interferenzkanals eingeführt. Mit Hilfe dieses Modells können die Probleme und Anforderungen in einem relaybasierten Mobilfunknetz modelliert und evaluiert werden. Unter anderem werden Protokolle basierend auf Koordination and Kooperation von Quell- und Relayknoten diskutiert. Weiterhin werden diese Protokolle auf ein vereinfachtes Kanalmodel eines Mobilfunknetzes angewandt und analysiert. Es zeigt sich, dass eine einfach Kaskade von Quellknotenkooperation und Relayknotenkoordination in der Lage ist, eine signifikante Verbesserung der Raten gegenüber einem gewöhnlichen Mobilfunknetz zu erreichen.

Die Analyse dieser Arbeit wird durch eine Analyse auf Systemlevel abgeschlossen, welche die zuvor eingeführten Protokolle in einem Mobilfunksystem anwendet. Unter anderem werden die erreichbaren Raten in städtischen Szenarien mit Mikro- bzw. Makrozellenstruktur diskutiert.Weiterhin wird die Leistung der eingeführten Protokolle in Abhängigkeit von den Kosten für den Aufbau eines Relaynetzwerkes analysiert. Mit Hilfe dieser Analyse ist es möglich, die Umsetzbarkeit von Relaying als zusätzliche Option eines Mobilfunksystems zu beurteilen.

In dieser Arbeit wird schrittweise ein Vorschlag für ein relaybasiertes Mobilfunknetz herausgearbeitet. Unter anderem wird gezeigt, dass einfache Protokolle, bei denen das Relay die vollständige Nachricht dekodiert und weiterleitet, eine sehr gute Leistung bieten und dennoch die Kodier- und Dekodierkomplexität hinreichend gering ist. Weiterhin kann der Flaschenhals eines Relaynetzwerkes, die Verbindung zwischen Quelle und Relay, mit Hilfe einer kooperativen Übertragung wesentlich verbessert werden.
Aufgrund der parallen Verwendung mehrerer Relayknoten können zudem mehrere Mikrozellen zu jeder Basisstation zugeordnet und parallel versorgt werden. Durch die mehrfache Verwendung der gleichen Resourcen innerhalb einer Zelle, kann Relaying in Mobilfunknetzen der nächsten Generation signifikante Ratenverbesserungen erreichen und erscheint demzufole als ernsthafte Zusatzoption für diese Netze.