Spectral efficient cooperative relaying with interference mitigation in heterogeneous wireless networks

Abstract

In this thesis, cooperative techniques that improve the spectral-efficiency in wireless networks are investigated. Towards this end, we consider cooperative relaying as the means of spectral efficiency and propose various algorithms depending on the network characteristics. A major concern in wireless networking is the efficient mitigation of interference and thus, several schemes relying on relay selection and cancellation of the interfering signals are presented. Moreover, heterogeneity is taken into account by exploiting the relays’ capabilities and the characteristics of the network topologies.More specifically, Chapter 1 introduces the basic elements of the thesis i.e. cooperative relaying, interference mitigation and heterogeneous wireless networks. In addition, the motivation behind the thesis is presented, as well as our contributions. Then, in Chapter 2, spectral-efficient relaying algorithms are presented based on opportunistic and successive relaying, thus formulating Successive Opportunistic Relaying (SOR). As power adaptive transmissions are employed, the selection of the best relay-pair is based on the minimum transmission power to satisfy a pre-determined spectral efficiency threshold. Furthermore, two SOR versions are given, in-band SOR that introduces Inter-Relay Interference (IRI), and out-band SOR that requires extra spectral resources to nullify the IRI. The performance of SOR is evaluated through simulations regarding the outage probability, the average throughput, as well as the average power reduction compared to equivalent fixed-power schemes. Next, in Chapter 3, algorithms employing relays with buffering capabilities aredeveloped. A modified version of max − link, a popular half-duplex buffer-aided algorithm, that includes the impact of direct source-destination connectivity is presented, and then, the combination of max − link, SOR and full-duplex relaying leads to the development of two hybrid schemes. Firstly, the minimum-power (min − power) algorithm based on the combination of max − link and SOR, and secondly, the Buffer-Aided successive and Full-Duplex opportunistic relaying Algorithms (BAFDA) based on the combination of max − link, SOR and full-duplex relaying are presented. Both hybrid schemes are evaluated in terms of outage probability, average throughput, power reduction and average delay. Moreover, a suboptimal version of BAFDA is described, significantly reducing the overhead of channel estimation at the cost of decreased power-reduction. Chapter 4 presents illustrative application where the proposed algorithms are employed. More specifically, a delay-critical application requiring increased throughput and a power-efficient application aiming at increased power reduction, are presented. Examining networks where different types of relays are employed, the proposed algorithms take into consideration the different relay characteristics and the network’s throughput and power reduction performance is evaluated. The chapter continues with the presentation of a converged satellite-terrestrial network where stratospheric relay selection (SRS) is proposed to establish the end-to-end communication. For this topology, two versions are given based on the availability of Channel State Information (CSI). Proactive SRS assumes full CSI, while reactive SRS considers CSI at the receivers. As a result, a trade-off between increased CSI overhead and power reduction performance is created. Then, Chapter 5 examines the performance of the hybrid relay algorithms in a relay network with secrecy constraints, where eavesdroppers desire to overhear the transmitted signals. To illustrate the efficiency of the secrecy-modified relay algorithms, simulation results for applications aiming at different performance metrics, such as the achieved secrecy rate or power reduction under a secrecy rate constraint, are provided. Finally, Chapter 6 concludes this thesis and discusses several future directions.

Σε αυτήν τη διατριβή εξετάζονται συνεργατικές τεχνικές οι οποίες βελτιώνουν τη φασματική αποδοτικότητα των ασύρματων δικτύων. Προς αυτήν την κατεύθυνση, θεωρούμε τη συνεργατική επανάληψη ως την τεχνική που οδηγεί στη φασματική αποδοτικότητα και προτείνουμε διάφορες στρατηγικές ανάλογα με την υπό εξέταση δικτυακή τοπολογία. Μία βασική πηγή ανησυχίας στα ασύρματα δίκτυα είναι η αποδοτική εξομάλυνση των παρεμβολών και έτσι, παρουσιάζουμε αρκετά σχήματα βασιζόμενοι στην επιλογή επαναλήπτη καθώς και στην ακύρωση των σημάτων παρεμβολής. Επιπρόσθετα, η ετερογένεια λαμβάνεται υπόψη εκμεταλλευόμενοι τις δυνατότητες των επαναληπτών και τα χαρακτηριστικά του δικτύου. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε μία εισαγωγή των βασικών στοιχείων της διατριβής, όπως είναι η συνεργατική επανάληψη, η εξομάλυνση των παρεμβολών και τα ετερογενή δίκτυα. Επίσης, συμπεριλαμβάνονται τα κίνητρα πίσω από αυτήν τη διατριβή καθώς και η ερευνητική συνεισφορά μας. Έπειτα,στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται διάφοροι φασματικά αποδοτικοί αλγόριθμοι επανάληψης οι οποίοι συνδυάζουν την οπορτουνιστική επιλογή επαναλήπτη και τη διαδοχική επανάληψη, σχηματίζοντας έτσι, την Οπορτουνιστική Διαδοχική Επανάληψη (ΟΔΕ). Καθώς εφαρμόζονται μεταδόσεις με προσαρμογή της ισχύος εκπομπής, η επιλογή του βέλτιστου ζεύγους επαναληπτών βασίζεται στην ελάχιστη απαιτούμενη ισχύ εκπομπής η οποία αρκεί για να επιτευχθεί ένα προκαθορισμένο κατώφλι φασματικής απόδοσης. Επιπρόσθετα, προτείνονται δύο εκδοχές της ΟΔΕ, η ΟΔΕ με χρήση της ίδιας συχνότητας και στις δύο ζεύξεις μεταξύ πηγής-επαναλήπτη και επαναλήπτη-προορισμού, η οποία εισάγει παρεμβολές μεταξύ των επαναληπτών και η ΟΔΕ με χρήση διαφορετικής συχνότητας στις δύο ζεύξεις, η οποία μηδενίζει τις παρεμβολές.Ταυτόχρονα, πραγματοποιούμε μία αξιολόγηση της απόδοσης αυτών των αλγορίθμων αναφορικά με την πιθανότητα διακοπής, το μέσο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και τη μείωση στην ισχύ εκπομπής συγκριτικά με σχήματα που δε χρησιμοποιούν προσαρμοζόμενα επίπεδα ισχύος εκπομπής. Μετά, στο τρίτο κεφάλαιο χρησιμοποιούνται επαναλήπτες με δυνατότητα αποθήκευσης δεδομένων. Παρουσιάζεται μία τροποποιημένη εκδοχή του max − link, ενός δημοφιλούς αλγορίθμου ημί-διπλεξίας, η οποία συμπεριλαμβάνει την περίπτωση της απευθείας συνδεσιμότητας πηγής-προορισμού και έπειτα, ο συνδυασμός max − link, ΟΔΕ και επαναληπτών πλήρους διπλεξίας οδηγεί στην ανάπτυξη δύο υβριδικών σχημάτων. Πρώτα παρουσιάζεται ο αλγόριθμος ελάχιστης ισχύος (min − power) βασιζόμενος στο συνδυασμό max − link και ΟΔΕ και στη συνέχεια, οι αλγόριθμοι BAFDA βασιζόμενοι στο συνδυασμό max − link, ΟΔΕ και επαναληπτών πλήρους διπλεξίας. Και τα δύο υβριδικά σχήματα αξιολογούνται αναφορικά με την πιθανότητα διακοπής, το μέσο ρυθμό μετάδοσης, τη μείωση της ισχύος εκπομπής και τη μέση καθυστέρηση. Επιπλέον, προτείνεται ένα μη-βέλτιστο σχήμα BAFDA με στόχο τη μείωση των επίβαρων που απορρέουν από τη συνεχή εκτίμηση της κατάστασης του ασύρματου καναλιού. Στο τέταρτο κεφάλαιο συμπεριλαμβάνονται ενδεικτικές εφαρμογές των προτεινόμενων αλγορίθμων. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεται μία εφαρμογή με αυξημένες απαιτήσεις καθυστέρησης και μία εφαρμογή με απαιτήσεις ελαχιστοποίησης της ισχύος εκπομπής. Εξετάζοντας δίκτυα όπου χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι επαναληπτών, οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι λαμβάνουν υπόψη τους τα διαφορετικά χαρακτηριστικά των επαναληπτών καθώς και την επίπτωσή τους στην απόδοση του δικτύου αναφορικά με το ρυθμό μετάδοσης και τη μείωση της ισχύος. Το κεφάλαιο συνεχίζει με την παρουσίαση ενός επίγειου-δορυφορικού δικτύου όπου στρατοσφαιρικοί επαναλήπτες επιλέγονται με στόχο την εγκαθίδρυση της απ’άκρου εις άκρον επικοινωνίας. Για αυτήν την τοπολογία, δίνονται δύο αλγόριθμοι επιλογής με βάση τη διαθεσιμότητα των στοιχείων της κατάστασης του ασύρματου καναλιού. Μετά, το πέμπτο κεφάλαιο εξετάζει την απόδοση υβριδικών αλγορίθμων επιλογής επαναληπτών σε ένα δίκτυο με περιορισμούςεμπιστευτικότητας, όπου κακόβουλες οντότητες προσπαθούν να αποκωδικοποιήσουν ταμεταδιδόμενα μηνύματα. Για να εξεταστεί η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων αλγορίθμων σε εφαρμογές με διαφορετικές προτεραιότητες απόδοσης, παρουσιάζονται αποτελέσματα για τον επιτυγχανόμενο ρυθμό μετάδοσης εμπιστευτικότητας, καθώς και για τη μείωση της εκπομπής ισχύος ικανοποιώντας ένα κατώφλι εχεμύθειας. Τέλος, το έκτο κεφάλαιο παρουσιάζει τα συμπεράσματα της διατριβής και τις μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις.