Network coding for cooperative communications : Block-Markov encoding to space-time codes

Abstract

In drahtlosen Kommunikationsnetzen können die erreichbaren Datenraten sowie die Zuverlässigkeit der Verbindungen unter Ausnutzung von Raumdiversität merklich gesteigert werden. Dazu müssen die Kommunikationspartner (im Folgenden auch als Knoten bezeichnet) mit zusätzlichen Antennen ausgestattet werden, die einen von der Übertragungswellenlänge abhängigen Mindestabstand nicht unterschreiten dürfen. Dies ist allerdings nicht möglich, wenn die geometrischen Abmessungen der Knoten zu gering sind. In diesem Fall stellen kooperative Kommunikationsverfahren eine vielversprechende Abhilfe dar.<br />Es handelt sich hierbei um eine Kommunikationsstrategie bei der die einzelnen Knoten nicht nur die Informationen jener Verbindungen übertragen, an denen sie unmittelbar beteiligt sind, sondern sie leiten auch im Sinne eines Relaisknoten Informationen benachbarter Knoten weiter mit denen sie gegenwärtig in keiner direkten Kommunikationsbeziehung stehen. Die Kapazitätssteigerungen kooperativer Übertragungstechniken können erreicht werden durch Einsatz der in der Informationstheorie bekannten Block-Markov Codierung, welche auch in der Herleitung der Kapazitätsgebiete verwendet wurden.<br />In dieser Arbeit schlagen wir die Netzcodierung als eine effiziente und kostengünstige Methode vor, die Funktionsweise von Block-Markov Codierung für kooperative Kommunikation zu implementieren. Die Leistungsfähigkeit dieser Codierungsvariante wird basierend auf der Ausfallswahscheinlichkeit und des Austausch Diversität und Mehrfachausnutzung evaluiert und mit den Ergebnissen für Verfahren verglichen, die Raum-Zeit- beziehungsweise Wiederholungscodierung verwenden. Die Vergleiche zeigen, dass gegenüber der anderen Verfahren, die von der Block-Markov Kodierung inspirierte Netzcodierung für kooperative Kommunikationstechniken einen höheren Diversitätsgewinn erzielen lassen und der Mehrfachnutzungsgewinn um 33 Prozent gesteigert werden kann.<br />Darüber hinaus präsentieren wir ein Verfahren, das das Prinzip kooperativer Kommunikation mit der übertragung über einen eindeutig zugewiesenen Relaisknoten kombiniert. Wir betrachten ein System, das aus zwei Kommunikationspartnern besteht, die jeweils Raum-Zeitcodes benützen und durch einen festen Relaisknoten unterstützt werden. Der Relaisknoten extrahiert aus den empfangenen Nachrichten netzcodierte Bits und leitet diese weiter an den Empfänger. Die analytische Betrachtung der Ausfallswahrscheinlichkeit und des Austausch Diversität und Mehrfachausnutzung zeigt, dass das betrachtete Verfahren die vollständige Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Raumdiversität ermöglicht und im Vergleich zu einem Verfahren, das ausschließlich Raum-Zeitcodierung verwendet, höhere Datenraten ermöglicht. Ergänzend betrachten wir die Erweiterung des Systems mit einem Relaisknoten durch mehrere Relaisknoten, die alle netzcodierte Bits weiterleiten.<br />Abschließend vergleichen wird das Verfahren, das kooperative Kommunikation und die Übertragung über einen Relaisknoten mittels Netzcodierung kombiniert, mit einem Mehrfachzugriffskanal auf den ausschließlich über einen zugewiesenen Relaisknoten zugegriffen werden kann und der ebenso Netzcodierung verwendet.<br />

For reliable wireless transmission, cooperative communications has been proposed as an effective way to exploit the spatial diversity, in size-constrained nodes. This is a communication strategy where the users, besides transmitting their own information, also relay certain version of other users' information to the destination(s). Theoretical studies have shown that the cooperating users achieve not only improved reliability but an increased rate region as well. The cooperative transmission gains are achievable if one follows the information theoretic block-Markov coding used in the proof of the capacity regions.<br />In this dissertation, we propose network coding, as an efficient and low cost option for the operational implementation of block-Markov coding for cooperative communications. To characterize the performance, we derive outage probability and the resulting diversity-multiplexing tradeoff. The outage probability results show that block-Markov coding inspired, network coding based cooperative communications offers higher diversity gain than the space-time or the repetition coding based cooperative communications. In addition to this, the proposed scheme outperforms by 33%, in terms of multiplexing gain, both the space-time and the repetition coding based cooperative communications.<br />We also present a scheme which combines the idea of cooperative communications and the transmission using a dedicated relay. In this scheme, two cooperating users using space-time codes are aided by a fixed relay node, which forwards network coded bits, of the messages received from the cooperating users, to the destination. With analytical results (outage probability and the diversity-multiplexing tradeoff), we show that space-time cooperating users using network coded bits offers full spatial diversity and outperforms cooperative communications using space-time codes only. Later, we extend the scheme to multiple relay nodes forwarding network coded bits to the destination.<br />Finally, we give a comparison study of our proposed cooperative communications based on network coding and multiple-access channel with a dedicated-relay using network coding.