Design and Analysis of Duplexing Modes and Forwarding Protocols for OFDM(A) Relay Links

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (monograph) | Defence date: 2014-07-04
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
300
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 81/2014
Abstract
Relaying, i.e., multihop communication via so-called relay nodes, has emerged as an advanced technology for economically realizing long transmission ranges and high data rates in wireless systems. The focus of this thesis is on multihop multiuser systems where signals are modulated with orthogonal frequency-division multiplexing or multiple access, i.e., OFDM(A), and relays are infrastructure-based network nodes. In general, the thesis contributes by investigating how to operate relay links optimally under spectrum, transmit power and processing capability limitations, as well as how to improve signal processing in relays by exploiting other advanced concepts such as multiantenna techniques, spectrum reuse, transmit power adaptation, and new options for multicarrier protocol design. The first theme is the design and analysis of duplexing modes which define how a relay link reuses allocated frequency bands in each hop. Especially, the full-duplex relaying mode is promoted as a feasible, advantageous alternative to conventional half-duplex operation while its inherent loopback self-interference is recognized and dealt with: New techniques are developed and evaluated for the mitigation of self-interference while transmit power control is proposed as a countermeasure against residual distortion. Finally, the fundamental criteria to prefer one mode over the other are determined which not only serves as a comparison between the modes but allows for opportunistic mode switching during operation. The second theme is the design and analysis of forwarding protocols which specify signal processing done between reception and retransmission in a relay. The study identifies a comprehensive set of design options for OFDM(A) relaying protocols and evaluates their combinations. Similar analysis is conducted for evaluating the duplexing modes and multiuser scheduling. Furthermore, a new analytical framework is developed for studying the channel delay spread characteristics of non-regenerative multihop OFDM links in conjunction with inter-carrier and inter-symbol interference as well as time synchronization error. Throughout the thesis, the design of relaying modes and protocols is conducted together with statistical performance analysis which facilitates discerning comparisons between existing and proposed concepts. Especially, all the contributions are established by means of closed-form expressions derived for the considered systems. The results cover all essential system variations, including amplify-and-forward and decode-and-forward protocols as well as downlink and uplink relaying reflecting their differences in infrastructure-based relaying.

Monihyppyinen tiedonsiirto niin kutsuttujen välittimien kautta on muodostunut kehittyneeksi teknologiaksi, jolla voi toteuttaa langattomissa järjestelmissä tehokkaasti pitkiä yhteysvälejä ja suuria datanopeuksia. Tämä tutkielma keskittyy monihyppyisiin monen käyttäjän järjestelmiin, joissa signaalit käyttävät OFDM(A)-modulaatiota ("orthogonal frequency-division multiplexing" tai "- multiple access") ja välittimet ovat osa verkko-infrastruktuuria. Yleisesti ottaen tämä tutkielma selvittää kuinka välittimiä voi käyttää optimaalisesti spektri-, lähetysteho- ja prosessointirajoitusten vallitessa sekä kuinka välittimien suorittamaa signaalinkäsittelyä voi parantaa käyttämällä muita edistyneitä konsepteja kuten moniantennitekniikoita, taajuuksien uudelleenkäyttöä, tehon säätöä ja uusia vaihtoehtoja monikantoaaltoprotokollien suunnittelussa. Ensimmäinen pääaihe käsittelee dupleksitilojen kehitystä ja analyysiä; ne määrittävät, miten välitinlinkki uudelleenkäyttää taajuuskaistoja jokaisessa hypyssään. Erityisesti "full-duplex"-tila nostetaan esiin toteuttamiskelpoisena ja edistyneenä vaihtoehtona perinteiselle "half-duplex"-tilalle vaikka sen luontainen itse-interferenssi otetaankin huomioon. Uusia tekniikoita kehitetään ja arvioidaan itse-interferenssin poistoa varten ja lähetystehon säätö esitetään vastakeinona jäännöshäiriölle. Lopulta määritetään pohjimmaiset kriteerit, joiden perusteella dupleksitilat voi asettaa paremmuusjärjestykseen, joka toimii näiden vertailuna mutta myös mahdollistaa opportunistisen tilanvalinnan lähetyksen aikana. Toinen pääaihe käsittelee välitysprotokollien kehitystä ja analyysiä; ne määrittelevät signaalinkäsittelyn, joka tehdään välittimissä vastaanoton ja uudelleenlähetyksen välissä. Tämä tutkielma tunnistaa kattavan joukon vaihtoehtoja OFDM(A)-välitysprotokollien suunnittelulle ja arvioi niiden yhdistelmien toimintaa. Samankaltainen analyysi suoritetaan myös dupleksitiloille ja monen käyttäjän vuoronjaolle. Lisäksi kehitetään uusi analyyttinen kehys, jolla tutkitaan kanavien viivehajontaa pelkkään vahvistukseen perustuvissa monihyppyisissä OFDM-linkeissä kun otetaan huomioon kantoaaltojen ja symbolien väliset häiriöt sekä aikasynkronisointivirheet. Läpi koko tutkielman dupleksitilojen ja välitysprotokollien kehitys tehdään yhdessä tilastollisen tehokkuusanalyysin kanssa, joka mahdollistaa täsmälliset vertailut aikaisempien ja ehdotettujen konseptien välillä. Erityisesti kaikki tulokset muodostetaan suljetun muodon kaavojen avulla. Esitetty analyysi kattaa kaikki olennaiset systeemivariaatiot mukaan lukien tyypilliset protokollat sekä ala- ja ylälinkin tiedonsiirron havainnollistaen näiden eroja.
Description
Supervising professor
Wichman, Risto, Prof., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, Finland
Thesis advisor
Werner, Stefan, Dr., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, Finland
Keywords
OFDM, OFDMA, wireless communication, relays, langaton tiedonsiirto, välittimet
Other note
Citation