Επίδοση μεθόδων επικοινωνίας με πολλαπλούς αναμεταδότες σε γενικευμένους διαύλους ασύρματων επικοινωνιών

Abstract

There is growing interest in the use of relay-assisted transmission schemes to provide systemperformance improvement in terms of system reliability and cooperative diversity.Cooperative diversity can combat channel impairments due to fading in wireless communicationsystems. The cooperative diversity through multihop relaying technology hasemerged as an effective tool to enhance the spectral efficiency and extend the coverageof cellular and ad hoc wireless networks. In particular, multihop relaying can enablesource and destination nodes to communicate through a set of cooperating relay nodesin which the transmitted signals propagate through cascaded relay nodes, with the aimof extending coverage and improving the performance of the network. In addition, idlemobile stations between the source and destination may be employed as relay nodes toprovide extra diversity links.In this dissertation, we investigate the performances of multihop relaying systems incomposite fading environments. A review of small and large-scale fading for the wirelesschannel is given in Chapter 1, where the statistical characterization of various channelmodels is presented. In this work, we consider the generalized-K fading channel, which isa composite fading model that considers the effects of both small- and large-scale fadingon the received signal. Then, in Chapter 2 we review various relay systems that havebeen proposed for wireless communications according to the relay gain employed andthe selection of the relays utilized. In Chapter 3, we present novel and easy-to-evaluateexpressions for the error rate performance of cooperative dual-hop relaying with maximalratio combining operating over independent generalized-K fading channels. As it is hardto obtain a closed-form expression for the moment generating function (MGF) of theend-to-end signal-to-noise ratio (SNR) at the destination, even for the case of a singledual-hop relay link, we employ two different upper bound approximations for the outputSNR, of which one is based on the minimum SNR of the two hops for each dual-hoprelay link and the other is based on the geometric mean of the SNRs of the two hops.Lower bounds for the symbol and bit error rates for a variety of digital modulations canDepartment of Digital Systems vithen be evaluated using the MGF based approach. The final expressions are useful in theperformance evaluation of amplify-and-forward (AF) relaying in a generalized compositeradio environment.In Chapter 4, we present novel and easy-to-evaluate expressions for the performance ofdual-hop relaying with best relay selection operating over generalized-K fading channels.Since it is hard to find a closed-form expression for the probability density function (PDF)of the exact SNR at the destination node even for the single dual-hop system with amplifyand-forward relaying, we use a tight upper bound value instead. Using the approximatevalue for the end-to-end SNR, closed-form expressions for the statistics of the SNR, theaverage bit and symbol error probabilities, and the ergodic capacity for the single dualhopAF relay system, are derived. Moreover, assuming independent nonidentical fadingconditions across multiple dual-hop relay links, we derive lower performance bounds forthe single relay selection scheme with AF relaying. The final expressions are useful inthe performance evaluation of AF opportunistic relaying in a generalized composite radioenvironment. Simulation results are also given to verify the analytical results.In Chapter 5, we evaluate performance measures of multihop relaying systems operatingin a composite fading environment modeled by the generalized-K distribution. Byapproximating the end-to-end signal-to-noise ratio of the multihop relay system by theminimum SNR of all the links, we provide easy to compute analytical expressions forthe outage probability and the average bit and symbol error rates for a variety of digitalmodulation schemes. The derived expressions are validated by computer simulation andprovide tight lower bounds to the exact performance of multihop relaying transmissionsin a generalized fading environment.In Chapter 6 we derive closed-form lower bounds on the performance of multihopcommunication systems with non-regenerative relays operating in a Nakagami-m fadingchannel. The relay gains are assumed to be chosen to maximize the end-to-end SNR,which is bounded by the geometric mean of the positive random variables. Closed-formexpressions are then derived for the statistics of the geometric mean of the optimumDepartment of Digital Systems viiend-to-end SNR. These, in turn, are used to derive tight bounds for the outage as well asaverage error performances of the system. An upper bound is also derived for the meanergodic capacity of the end-to-end SNR.Finally, in Chapter 7 we study the effect of co-channel interference on the outageprobability of dual-hop wireless communication systems with amplify-and-forward relayingoperating in a Rayleigh fading channel. A four-parameter model for the dual-hopAF relay system is introduced, in which two of the parameters specify the type of gainadopted at the relay node while the other two parameters account for the presence ofchannel noise and co-channel interference at the destination node. We then derive theexact outage probability in terms of the well-known incomplete Weber integral, whichcan be easily and accurately evaluated numerically.

Το τελευταίο χρονικό διάστημα υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τη χρήσηαναμεταδοτών (relays) για τη μετάδοση σημάτων με σκοπό την βελτίωση τηςεπίδοσης των συστημάτων ασύρματων επικοινωνιών και την επίτευξη διαφορικήςλήψης μέσω συνεργασίας (cooperative diversity), η οποία μπορεί να καταπολεμήσειπροβλήματα όπως οι διαλείψεις στα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών. Επίσης, ητεχνολογία των πολλαπλών αναμεταδοτών (multi-hop relaying) έχει αποδειχθεί ωςένα αποτελεσματικό εργαλείο για την αύξηση της φασματικής απόδοσης αλλά και τηςεπέκτασης της κάλυψης σε κυψελωτά και ad hoc ασύρματα δίκτυα. Ειδικότερα, τοmulti-hop relaying έχει τη δυνατότητα να επιτρέψει στον πομπό και στο δέκτη ναεπικοινωνήσουν μέσα από μια σειρά συνεργαζόμενων κόμβων αναμετάδοσης, μεστόχο την επέκταση της ραδιοκάλυψης και τη βελτίωση της επίδοσης του δικτύου.Για παράδειγμα, οι αδρανείς σταθμοί μεταξύ της πηγής και του προορισμού μπορούννα χρησιμοποιηθούν ως κόμβοι αναμετάδοσης για την παροχή επιπλέον συνδέσμωνστο δίκτυο για την δημιουργία εναλλακτικών μονοπατιών ραδιο-μετάδοσης.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αποδεικνύουμε αναλυτικές εκφράσεις γιαδιάφορα κριτήρια επίδοσης των συστημάτων πολλαπλών αναμεταδοτών σεπεριβάλλοντα διάδοσης που χαρακτηρίζονται από σύνθετα μοντέλα διάλειψης. ΣτοΚεφάλαιο 1 κάνουμε μία επισκόπηση των μοντέλων διάλειψης μικρής και μεγάληςκλίμακας για το ασύρματο κανάλι. Σε αυτή τη διατριβή χρησιμοποιούμε τηΓενικευμένη-Κ κατανομή για να μοντελοποιήσουμε τη διάλειψη στο κανάλιεπικοινωνίας, διότι η συγκεκριμένη κατανομή συνδυάζει την επίδραση μικρής καιμεγάλης κλίμακας διάλειψης στο σήμα λήψης. Στο Κεφάλαιο 2 δίνουμε μίαεπισκόπηση των κυριότερων συστημάτων αναμεταδοτών που έχουν προταθεί για ταασύρματα συστήματα με βάση την ενίσχυση που χρησιμοποιείται και τον τρόποσυνδεσμολογίας αλλά και επιλογής των αναμεταδοτών. Στο Κεφάλαιο 3,αποδεικνύουμε νέες και εύκολα υπολογίσιμες μαθηματικές εκφράσεις για τηνπιθανότητα σφάλματος σε συστήματα που υποστηρίζουν πολλαπλούς αναμεταδότεςσε παράλληλη συνδεσμολογία και απευθείας διαδρομή με maximal ratio combiningστο δέκτη. Επειδή είναι αρκετά δύσκολο να βρεθεί μια έκφραση κλειστής μορφής γιατη moment generating function (MGF) του συνολικού (end-to-end) σηματο-θορυβικού λόγου (ΣΘΛ) στον τελικό προορισμό, χρησιμοποιούμε δύο διαφορετικέςivπροσεγγίσεις για το άνω φράγμα του συνολικού ΣΘΛ, εκ των οποίων η πρώτηυλοποιείται με βάση το ελάχιστο ΣΘΛ των δύο ζεύξεων για κάθε αναμεταδότη και ηδεύτερη βασίζεται στο γεωμετρικό μέσο όρο των ΣΘΛ των δύο ζεύξεων. Στησυνέχεια αποδεικνύουμε τα αντίστοιχα κατώτερα όρια για την πιθανότητα σφάλματοςσυμβόλου και bit για διάφορες ψηφιακές διαμορφώσεις χρησιμοποιώντας την MGFπροσέγγιση. Οι τελικές εκφράσεις είναι χρήσιμες για την αξιολόγηση των επιδόσεωντης τεχνικής αναμετάδοσης ενίσχυση-και-προώθηση (ΕΠ) σε ένα σύνθετοπεριβάλλον διάδοσης.Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζουμε νέες μαθηματικές σχέσεις για την αξιολόγηση τηςεπίδοσης ενός δικτύου με αναμετάδοση δύο ζεύξεων και επιλογή του καλύτερουαναμεταδότη σε περιβάλλον με ανεξάρτητα κανάλια διάλειψης. Δεδομένου ότι είναιδύσκολο να βρεθεί μια κλειστής μορφής έκφραση για τη συνάρτηση πυκνότηταςπιθανότητας για το συνολικό ΣΘΛ στον κόμβο προορισμού ακόμη και για τηνπερίπτωση ενός ΕΠ αναμεταδότη, χρησιμοποιούμε ένα άνω όριο για το ΣΘΛ.Χρησιμοποιώντας την προσεγγιστική σχέση για το συνολικό ΣΘΛ, βρίσκουμεεκφράσεις για τη στατιστική του ΣΘΛ, για τη μέση πιθανότητα σφάλματος συμβόλουκαι bit, καθώς και για την εργοδική χωρητικότητα ενός συστήματος με ένα ΕΠαναμεταδότη σε κανάλι με Γενικευμένη-Κ διάλειψη. Στη συνέχεια, για ανεξάρτητεςαλλά μη-ταυτόσημες συνθήκες διάλειψης, βρίσκουμε την επίδοση για ένα σύστημαμε πολλαπλούς αναμεταδότες δύο ζεύξεων που χρησιμοποιεί επιλογή του καλύτερουαναμεταδότη. Οι τελικές εκφράσεις είναι χρήσιμες για την αξιολόγηση τωνεπιδόσεων των ΕΠ συστημάτων με επιλογή αναμεταδότη σε ένα σύνθετο περιβάλλονδιάδοσης. Επίσης, δίνουμε αποτελέσματα Monte Carlo προσομοίωσης για τηνεπαλήθευση των αναλυτικών αποτελεσμάτων.Στο Κεφάλαιο 5, αποδεικνύουμε νέες μαθηματικές σχέσεις μέτρων επίδοσης γιασυστήματα πολλαπλών αναμεταδοτών (multi-hop relays) που λειτουργούν σε ένασύνθετο περιβάλλον διαλείψεων, το οποίο μοντελοποιείται με τη Γενικευμένη-Κκατανομή. Χρησιμοποιώντας την προσέγγιση του συνολικού ΣΘΛ για το σύστημαπολλαπλών αναμεταδοτών το οποίο δίνεται από το ελάχιστο ΣΘΛ όλων των ζεύξεων,παρέχεται ένας εύκολος τρόπος υπολογισμού για την πιθανότητα διακοπής και τηςμέσης πιθανότητας σφάλματος συμβόλου και bit για διάφορες ψηφιακέςδιαμορφώσεις. Τα αποτελέσματα από τον υπολογισμό των αναλυτικών εκφράσεωνγια τα κάτω όρια επίδοσης συγκρίνονται με εκείνα της προσομοίωσης της ακριβήςvεπίδοσης των συστημάτων πολλαπλών αναμεταδοτών, από όπου φαίνεται η ακρίβειατης προσέγγισης.Στο Κεφάλαιο 6, αποδεικνύουμε κατώτερα όρια κλειστής μορφής για την επίδοσητων συστήματα πολλαπλών αναμεταδοτών που λειτουργούν σε ένα Nakagami-mκανάλι διαλείψεων. Το συνολικό ΣΘΛ στον προορισμό προσεγγίζεται από τογεωμετρικό μέσο όρο όλων των ζεύξεων. Με αυτή την προσέγγιση, βρίσκουμεμαθηματικές εκφράσεις κλειστής μορφής για τις στατιστικές του συνολικού ΣΘΛ.Αυτές, με τη σειρά τους, χρησιμοποιούνται για να υπολογίσουμε την πιθανότηταδιακοπής, τη μέση πιθανότητα σφάλματος συμβόλου και ένα ανώτερο όριο για τημέση εργοδική χωρητικότητα του συστήματος πολλαπλών αναμεταδοτών.Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 εξετάζουμε την επίδραση ομοδιαυλικής παρεμβολής στηνπιθανότητα διακοπής ενός ασύρματου συστήματος με ένα ΕΠ αναμεταδότη σεπεριβάλλον με Rayleigh διάλλειψη. Χρησιμοποιούμε ένα μοντέλο με τέσσεριςπαραμέτρους, στο οποίο δύο παράμετροι προσδιορίζουν τον τύπο της ενίσχυσης στοναναμεταδότη και οι άλλες δύο την ύπαρξη θορύβου και παρεμβολών στο δέκτηπροορισμού. Για το παραμετροποιημένο αυτό μοντέλο αποδεικνύουμε μαθηματικέςεκφράσεις της πιθανότητας διακοπής συναρτήσει του ολοκληρώματος Weber, τοοποίο μπορεί να υπολογιστεί αριθμητικά εύκολα και με ακρίβεια.