Diversity-multiplexing tradeoff for network coded cooperative OFDMA systems

Abstract

İşbirlikli haberleşme (cooperative communication, CC) kablosuz iletim kanalınındoğasında bulunan her yöne yayılım özelliğini kullanır ve fiziksel olarak birbirinden ayrılmışolan kablosuz düğümler arasında dağıtık yapıda bir çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input,multiple-output, MIMO) sistem oluşturur. İşbirlikli haberleşme konusundaki önceki çalışmalargenellikle zaman bölmeli çoklu erişim (time division multiple access, TDMA) tekniğikullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte, klasik CC sistemleri aktarma fazındaki iletimiçin ek zaman aralığı gerektirdiği için birim iletim zamanı başına iletilen veri miktarındakayıba neden olması ile tercih edilmezler. İşbirlikli ağ kodlama (network coded cooperation,NCC) sistemleri ise birim iletim zamanı başına iletilen veri miktarını önemli oranda artırdığıiçin CC sistemlerine güçlü bir alternatif olarak önerilmiştir. NCC sisteminde röle düğümleri,ayrı kaynak düğümlerinden aldığı mesajların XOR işlemininin sonucunu veya doğrusalkombinasyonlarını alıcı düğümlere iletir. Ağ kodlama, uygun birleştirme sayesinde spektralverimliliği geleneksel tek yönlü işbirlikli haberleşme sistemlerine göre artırır.Bu tezin ilk bölümünde NCC sistemleri ile ilgili genel bilgiler verilip bu sistemlerinçeşitleme ve çoğullama ödünleşimi (diversity and multiplexing tradeoff, DMT) açısındangeleneksel CC sistemlerine göre avantajları ortaya konmuştur.NCC sistemlerinin DMT analizini inceleyen önceki çalışmalarda, kanal durumbilgisinin (channel state information, CSI) röle ve alıcı düğümleri tarafından hatasız olarakbilindiği varsayılmaktadır ve ayrıca sadece asimptotik analizler ele alınmıştır. Haberleşmesistemlerinin büyük bir çoğunluğu düşük ve orta seviyede sinyal-gürültü- oranı (signal-to-noise-ratio, SNR) değerlerinde çalışır. Sonlu-SNR için DMT analizi ise pratikte kullanılanSNR aralığındaki DMT analizini gerçekleştirebilmek için daha anlamlı bir başarım ölçütüdür.Literatürdeki bu boşluğu gidermek üzere tezin ikinci bölümde NCC sistemlerinin idealolmayan CSI durumdaki sonlu-SNR DMT analizi gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde elde edilensonuçların literatürdeki çalışmaların genelleştirilmiş halleri olduğu ve yüksek SNR bölgesindebu çalışmalarla örtüştüğü gösterilmiştir. Ayrıca DMT başarımının kanal kestirim kalitesinebağlı olduğu ortaya konmuştur.TDMA kullanan önceki çalışmalara göre ek kazanımlar elde etmek için dik frekansbölmeli çoğullama (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) tekniğinin NCCsistemlerinde kullanılması literatürde önerilmiştir. Üçüncü bölümde, OFDM'in çok kullanıcılısistemlere genişletilmiş hali olan dik frekans bölmeli çoklu erişim (orthogonal frequencymultiple access, OFDMA) sistemi ele alınmıştır. Sistemin Rayleigh sönümlemesi altındakikesinti olasılığı ifadeleri kapalı formda elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar NCC-OFDMAsisteminin hem frekans hem de uzay çeşitlemesini tam olarak elde edebildiğini göstermiştir.Tezin üçüncü bölümünde ise NCC-OFDMA sistemine ait asimptotik DMT analiziRayleigh sönümlemeli kanal için incelenmiştır. Dördüncü bölümde ise hem sonlu-SNR hemde asimptotik DMT başarımlarını Rician sönümlemeli kanallar için ele alınmıştır. AsimptotikSNR değerleri için elde edilen Rayleigh ve Rician kanallardaki DMT sonuçları birbiriyleörtüşmektedir. Sonlu SNR değerlerinde ise Rayleigh ve Rician sönümlemeli kanallararasındaki başarım farkı bu analizler sayesinde ortaya konmuştur.

Cooperative communication (CC) exploits the broadcasting nature of wireless transmission and creates a distributed multiple-input multiple-output (MIMO) system among the wireless nodes which are physically separated from each other. Earlier works on cooperative communication typically build on time division multiple access (TDMA). However, it is well known that conventional CC systems experience throughput loss due to additional time slots required for relaying phase which particularly become prohibitive with the increasing number of relay nodes. Network coded cooperative (NCC) systems have been proposed as a powerful alternative with significantly higher throughput efficiency. In an NCC system, the relay nodes perform either XOR operation or form a linear combination of the messages received from distinct sources. Through proper combining, network coding improves the spectral efficiency over conventional unidirectional cooperative communication systems.In the first chapter of this thesis, we provide an overview of NCC systems and discuss their advantages over conventional CC systems in terms of diversity multiplexing tradeoff (DMT). All existing works on the DMT analysis of NCC systems assume perfect channel state information (CSI) at relay and destination nodes and focus on asymptotical analysis. It is known that asymptotical DMT analysis overestimates the performance since most communication systems operate in low and moderate signal-to-noise ratio (SNR) regime. To characterize DMT within more practical SNR regime, finite-SNR DMT is a more meaningful performance measure. In the second chapter, we investigate the outage probability and finite-SNR DMT performance for NCC wireless networks in the presence of imperfect CSI. We show that our results are generalized versions of those earlier presented in the literature and coincide with them in high SNR regime. Our analysis further reveals that the DMT is highly dependent of channel estimation quality particularly at finite-SNR values.In an effort to have further gains over the initial works, which build upon the assumption of TDMA, the combined use of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with NCC has been proposed in the literature. In the third chapter, we consider orthogonal frequency division multiple access (OFDMA), an extension of the OFDM to a multiuser system where subsets of carriers are assigned to different users. We derive a closed-form expression for the outage probability of the system over Rayleigh fading channels and present the DMT analysis. Our results demonstrate that NCC-OFDMA system is able to fully exploit both frequency and spatial diversity.In the third chapter, we investigate only asymptotic DMT analysis of NCC-OFDMA systems over Rayleigh fading channels. In the fourth chapter, we investigate both finite-SNR DMT and asymptotic DMT performance over Rician fading channels. Such an analysis helps us see the difference of performances over Rayleigh and Rician fading channels. Otherwise, DMT results for Rayleigh and Rician channels coincide each other for asypmtotical SNR values.