Propagation measurement based study on relay networks

Hong, Aihua GND

Von der nächsten Generation von Mobilfunksystemen erwartet man eine umfassende Versorgung mit breitbandigen Multimediadiensten. Um die dafür erforderliche flächendeckende Versorgung mit hohen Datenraten zu gewährleisten, können Relay-Netzwerke einen wesentlichen Beitrag liefern. Hierbei werden Netzwerkstationen mit Relay-Funktionalität in zellulare Netzwerke integriert. Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung Relay-basierter Netzwerke unter Verwendung von Ausbreitungsmessungen. Die Arbeit deckt Fragen zur Kanalmodellierung, Systemevaluierung bis hin zur Systemverifikation ab. - Zunächst wird ein auf Funkkanalmessungen beruhendes experimentelles Kanalmodell für Relay-Netzwerke vorgestellt. Im Weiteren werden technische Verfahren für Mehrfachzugriffs-Relay-Netzwerke MARN diskutiert. Die erreichbare Systemleistung wurde unter Verwendung von Rayleigh-Kanälen innerhalb einer Systemsimulation bestimmt und im Anschluss mit realen Kanälen, die sowohl direkt aus Funkkanalmessungen als auch indirekt aus dem bereits erwähnten Kanalmodell abgeleitet wurden, verifiziert. Bisherige Arbeiten zur Modellierung breitbandiger Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Kanäle berücksichtigen nicht oder nur sehr stark vereinfacht die Langzeitkorrelationseigenschaften zwischen den Links und werden damit der vermaschten und räumlich weit verteilten Topologie von Relay-Netzwerken gerecht. In der vorliegenden Dissertation erfolgte daher eine experimentelle Untersuchung zu den Korrelationseigenschaften von Large-Scale-Parametern LSP, die unter Verwendung von Funkkanalmessdaten aus urbanen Umgebungen und aus Innenräumen abgeleitet wurden. Die Ergebnisse hierzu fanden Eingang in das vom WINNER-Projekt entwickelte Kanalmodell. Sie erlauben damit eine realistischere Simulation von Relay-unterstützten Netzen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit stellen technische Verfahren dar, die eine Erhöhung der Systemleistung in MARN mit unbekannter Interferenz UKIF versprechen. Im Einzelnen handelt es sich um die Mehrfachzugriffs-Kodierung MAC - die eine verbesserte Signaltrennung auf der Empfängerseite und eine Erhöhung des Datendurchsatzes erlaubt, den Entwurf eines Relay-Protokolls zur Erhöhung der Systemeffizienz, einen Minimum Mean Square Error (MMSE) Algorithmus zur Unterdrückung unbekannter Interferenzen bei Erhaltung der MAC-Signalstruktur mehrerer Mobilstationen MS, und ein fehlererkennungsbasiertes Signalauswahlverfahren zur Diversitätserhöhung. Die vorgenannten Verfahren werden in einer Systemsimulation zunächst mit Rayleigh-Kanälen evaluiert und demonstrieren die erzielbare theoretische Leistungssteigerung. Die Berücksichtigung realer Funkkanäle innerhalb der Systemsimulation zeigt allerdings, dass die theoretische Systemleistung so in der Realität nicht erreichbar ist. Die Ursache hierfür ist in den idealisierten Annahmen theoretischer Kanäle zu suchen. Für die Entwicklung künftiger Relay-Netzwerke bieten die in dieser Arbeit aufbereiteten Erkenntnisse hinsichtlich der Langzeitkorrelationseigenschaften zwischen den Links einen wertvollen Beitrag für die Abschätzung ihrer Systemleistung auf der Basis eines verbesserten Kanalmodells.

Considering technological bases of next generation wireless systems, it is expected that systems can provide a variety of coverage requirements to support ubiquitous communications. To satisfy the requirements, an innovative idea, integrating network elements with a relaying capability into cellular networks, is one of the most promising solutions. The main topic of this dissertation is a propagation measurement based study on relay networks. The study includes three parts: channel modeling, performance evaluation, and verification. First of all, an empirical channel model for relay networks is proposed based on statistical analyses of measurement data. Then, advanced techniques for the throughput improvement and interference cancellation are proposed for Multiple Access Relay Networks (MARN) which are used as an example of relay networks. The performance of the considered MARN is evaluated for Rayleigh channels, and then verified for realistic channels, obtained from measurement data and from the experimental relay channel model as well. For relay channel modeling, the long-term correlation properties between links are of crucial importance due to the meshed-network topology. Although, there is a wide variety of research results for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) channel modeling available, the characterization of correlation properties has been significantly simplified or even completely ignored which motivates this research to be performed. In this dissertation, the experimental results of the correlation properties of Large Scale Parameters (LSP) are presented through the analysis on the real-field measurement data for both the urban and indoor scenarios. furthermore, the correlation properties have been fully introduced into the WINNER channel Model (WIM) for realistic relay channel simulations. As a further contribution of this dissertation, various advanced techniques are proposed for MARN in the presence of Unknown Interference (UKIF). Multiple Access Coding (MAC) is introduced as a multiple access technique. The use of MAC provides the signal separability at the receiver and improves throughput. Thereafter, high system resource efficiency can be achieved through relay protocol design. At the receiver, Minimum Mean Square Error (MMSE)-based spatial filtering is used to suppress UKIF while preserving multiple Mobile Station (MS)s’ MAC-encoded signal structure. Furthermore, an error detection aided signal selection technique is proposed for diversity increasing. The theoretical system performance with aforementioned techniques is simulated for Rayleigh channels. Thereafter, realistic channels are exploited for the performance verification. The gap between the theoretical performance and the realistic performance indicates that the assumptions made to the simplified Rayleigh-channels do not fully hold in reality. For the future relay system design, this work provides valuable information about the performance evaluation of relay networks in consideration of the correlation properties between links.

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Hong, Aihua: Propagation measurement based study on relay networks. 2011.

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