DISTRIBUTED TRANSMISSION FOR COOPERATIVE WIRELESS NETWORKS

Transkriptio

1 Turo Halinen DISTRIBUTED TRANSMISSION FOR COOPERATIVE WIRELESS NETWORKS Thesis submitted for examination for the degree of Licentiate of Science in Technology, Espoo, 9 April, Supervisor: Instructor: Professor Jyri Hämäläinen D.Sc. (Tech) Alexis A. Dowhuszko

2 AALTO UNIVERSITY SCHOOLS OF TECHNOLOGY PO Box 11000, FI AALTO ABSTRACT OF THE LICENTIATE THESIS Author: Title: Turo Halinen DISTRIBUTED TRANSMISSION FOR COOPERATIVE WIRELESS NETWORKS School: School of Electrical Engineering Department: Department of Communications and Networking Research field: Telecommunications Code: S016Z Supervisor: Jyri Hämäläinen Instructor(s): Alexis A. Dowhuszko Examiner(s): Stefan Werner Abstract: In this thesis the impact of quantized channel feedback on the performance of a (coherent) distributed beamforming (DBF) scheme is studied. The analysis is done in the context of a wireless access network, and the goal is to provide an adequate broadband coverage for users located inside buildings. In the examined scenario, instead of trying to reach the serving base station (BS) directly, it is assumed that each mobile station (MS) receives assistance from a cooperative group of network elements that is placed in close proximity (e.g., in the same room or office). This cluster of cooperative network elements is formed by a large number of low-cost low-power relaying stations (RSs), which have fixed locations and are equipped with only one antenna. Closed-form approximations for three different performance measures are derived (i.e., outage capacity, ergodic capacity, and bit error probability), providing performance predictions and fundamental limits of the proposed system architecture. The analysis reveals that the end-to-end performance that is achieved when using a small amount of phase feedback information (per RS in the second hop) is very close to the full phase information upper bound, paving the way to use massive DBF architectures as a practical way to cope with high data rate in future wireless systems. In addition, to give grounds for the suggested DBF scheme, fundamental information on cooperative communication is given first. Concepts of relaying, heterogeneous networks, and multi antenna techniques are given a brief introduction in this thesis. Date: Language: English Number of pages: 102 Keywords: Cooperative communications, distributed beamforming, decode-and-forward relays, heterogeneous networks, limited feedback information, massive network element deployments, non-perfect channel knowledge, performance prediction.

3 AALTO-YLIOPISTO TEKNIIKAN KORKEAKOULUT PL 11000, AALTO LISENSIAATINTUTKIMUKSEN TIIVISTELMÄ Tekijä: Turo Halinen Työn nimi: HAJAUTETUN KEILANMUODOSTUKSEN SUORITUSKYKYANALYYSI YHTEISTOIMINNALLISILLE LANGATTOMILLE VERKOILLE Korkeakoulu: Sähkötekniikan korkeakoulu Laitos: Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitos Tutkimusala: Tietoliikennetekniikka Koodi: S016Z Työn vastuuprofessori: Jyri Hämäläinen Työn ohjaaja(t): Alexis A. Dowhuszko Työn ulkopuolinen tarkastaja(t): Stefan Werner Tiivistelmä: Tässä työssä tutkitaan kvantisoidun takaisinkytkentäkanavan vaikutusta hajautetun keilanmuodostuksen (DBF) suorituskykyyn. Analyysin systeemimalli olettaa langattoman liityntäverkon missä tavoitteena on tarjota riittävä laajakaistapeitto käyttäjille rakennusten sisätiloissa. Tutkitussa skenaariossa, sen sijaan, että yritettäisiin saada suora yhteys palvelevaan tukiasemaan (BS), oletetaan, että jokainen käyttäjälaite (MS) saa tukea yhteistoiminnalliselta ryhmältä verkkoelementtejä, jotka on sijoitettu MS:n läheisyyteen (esim. samaan huoneeseen tai toimistoon). Tämä joukko verkkoelementtejä koostuu suuresta määrästä edullisia pienitehoisia toistinasemia (RS), joilla on kiinteä sijainti. Suljetun muodon tuloksia johdetaan kolmelle eri suorituskyvyn mittarille (eli outage-kapasiteetti, ergodinen kapasiteetti, ja bittivirhetodennäköisyys), tarjoten suorituskyvyn ennusteita ja perustavaa laatua olevia suorituskykyrajoja ehdotettuun järjestelmään. Analyysi paljastaa, että suorituskyky, joka saavutetaan käyttämällä pientä määrää vaihepalautetta (toisessa hypyssä) on hyvin lähellä ylärajaa mikä saavutetaan täydellisellä vaiheinformaatiolla. Tulokset pohjustavat massiivisten DBFarkkitehtuurien käyttöönottoa käytännön keinona selviytyä suurista datanopeuksista tulevaisuuden langattomissa järjestelmissä. Suorituskykyanalyysin lisäksi työn alussa on taustan esittelemiseksi annettu pohjatietoja ehdotetulle DBF järjestelmälle sekä yhteistoiminnalliselle viestinnälle yleisellä tasolla. Lisäksi on esitelty toistimien, heterogeenisten verkkojen ja moniantennitekniikoiden käsitteet. Päivämäärä: Kieli: Englanti Sivumäärä: 102 Avainsanat: yhteistoiminnallinen viestintä, hajautettu keilanmuodostus, dekoodaava ja edelleen lähettävä toistinasema, moninainen verkko, rajoitettu takaisinkytkentäinformaatio, tiheä verkkoelementtien sijoitus, osittainen kanavatieto, suorituskyvyn ennustaminen.

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70