Diversity-multiplexing tradeoff for network coded cooperative OFDMA systems

Abstract

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.

İşbirlikli haberleşme (cooperative communication, CC) kablosuz iletim kanalının doğasında bulunan her yöne yayılım özelliğini kullanır ve fiziksel olarak birbirinden ayrılmış olan kablosuz düğümler arasında dağıtık yapıda bir çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input, multiple-output, MIMO) sistem oluşturur. İşbirlikli haberleşme konusundaki önceki çalışmalar genellikle zaman bölmeli çoklu erişim (time division multiple access, TDMA) tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte, klasik CC sistemleri aktarma fazındaki iletim için ek zaman aralığı gerektirdiği için birim iletim zamanı başına iletilen veri miktarında kayıba neden olması ile tercih edilmezler. İşbirlikli ağ kodlama (network coded cooperation, NCC) sistemleri ise birim iletim zamanı başına iletilen veri miktarını önemli oranda artırdığı için CC sistemlerine güçlü bir alternatif olarak önerilmiştir. NCC sisteminde röle düğümleri, ayrı kaynak düğümlerinden aldığı mesajların XOR işlemininin sonucunu veya doğrusal kombinasyonlarını alıcı düğümlere iletir. Ağ kodlama, uygun birleştirme sayesinde spektral verimliliği geleneksel tek yönlü işbirlikli haberleşme sistemlerine göre artırır. Bu tezin ilk bölümünde NCC sistemleri ile ilgili genel bilgiler verilip bu sistemlerin çeşitleme ve çoğullama ödünleşimi (diversity and multiplexing tradeoff, DMT) açısından geleneksel CC sistemlerine göre avantajları ortaya konmuştur. NCC sistemlerinin DMT analizini inceleyen önceki çalışmalarda, kanal durum bilgisinin (channel state information, CSI) röle ve alıcı düğümleri tarafından hatasız olarak bilindiği varsayılmaktadır ve ayrıca sadece asimptotik analizler ele alınmıştır. Haberleşme sistemlerinin büyük bir çoğunluğu düşük ve orta seviyede sinyal-gürültü- oranı (signal-to- noise-ratio, SNR) değerlerinde çalışır. Sonlu-SNR için DMT analizi ise pratikte kullanılan SNR aralığındaki DMT analizini gerçekleştirebilmek için daha anlamlı bir başarım ölçütüdür. Literatürdeki bu boşluğu gidermek üzere tezin ikinci bölümde NCC sistemlerinin ideal olmayan CSI durumdaki sonlu-SNR DMT analizi gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde elde edilen sonuçların literatürdeki çalışmaların genelleştirilmiş halleri olduğu ve yüksek SNR bölgesinde bu çalışmalarla örtüştüğü gösterilmiştir. Ayrıca DMT başarımının kanal kestirim kalitesine bağlı olduğu ortaya konmuştur. TDMA kullanan önceki çalışmalara göre ek kazanımlar elde etmek için dik frekans bölmeli çoğullama (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) tekniğinin NCC sistemlerinde kullanılması literatürde önerilmiştir. Üçüncü bölümde, OFDM'in çok kullanıcılı sistemlere genişletilmiş hali olan dik frekans bölmeli çoklu erişim (orthogonal frequency multiple access, OFDMA) sistemi ele alınmıştır. Sistemin Rayleigh sönümlemesi altındaki kesinti olasılığı ifadeleri kapalı formda elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar NCC-OFDMA sisteminin hem frekans hem de uzay çeşitlemesini tam olarak elde edebildiğini göstermiştir. Tezin üçüncü bölümünde ise NCC-OFDMA sistemine ait asimptotik DMT analizi Rayleigh sönümlemeli kanal için incelenmiştır. Dördüncü bölümde ise hem sonlu-SNR hem de asimptotik DMT başarımlarını Rician sönümlemeli kanallar için ele alınmıştır. Asimptotik SNR değerleri için elde edilen Rayleigh ve Rician kanallardaki DMT sonuçları birbiriyle örtüşmektedir. Sonlu SNR değerlerinde ise Rayleigh ve Rician sönümlemeli kanallar arasındaki başarım farkı bu analizler sayesinde ortaya konmuştur.