Partial Decode-and-Forward-Techniken für MIMO Relais-Kanäle

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Wolfgang K. Utschick
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 193958451

Um einer wachsenden Anzahl mobiler Nutzer steigende Datenraten flächendeckend bereitstellen zu können, wird in zukünftigen drahtlosen Kommunikationsnetzen der Einsatz von Relaisstationen notwendig sein. Die ersten theoretischen und praktischen Arbeiten zu Relaistechniken gehen auf die Einführung des Relaiskanals im Jahr 1971 durch van der Meulen zurück. Seitdem waren der Relaiskanal und dessen Varianten Gegenstand intensiver informationstheoretischer Unter- suchungen. Ein wichtiges Beispiel ist der so genannte bidirektionale Relaiskanal oder Two-Way Relay Channel, bei dem zwei Endgeräte mittels eines einzelnen Relais gegenseitig Informationen austauschen. Beispielszenarien, in denen die Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Codierungstechniken und der so genannten Cut-Set Upper Bound verglichen werden, beruhen im Allgemeinen auf der Annahme Gaußscher additiver Kanäle, Gaußscher Codebücher und Einantennentechniken. Insbesondere letztere Annahme ist von besonderer Bedeutung für die Modellierung von Relaiskanäalen und der Wahl von Codierungstechniken, weil der Einsatz von Antennengruppen Techniken wie beispielsweise das so genannte Beamforming erlaubt, die von Einzelantennen nicht unterstützt werden. Mit anderen Worten, der wesentliche Vorteil von Mehrantennentechniken ist die Bereitsstellung zusätzlicher Freiheitsgrade, was MIMO Verfahren damit zu einem vielversprechenden Merkmal für Relaiskanäle werden lässt. Allerdings wurde der MIMO Relaiskanal bisher relativ wenig untersucht. Zudem fällt auf, dass für den bidirektionalen MIMO Relaiskanal hauptsächlich ein zweiphasiges Protokoll untersucht wurde, das die direkte Verbindung zwischen den Endgeräten nicht berücksichtigt. Der Schwerpunkt dieses Forschungsprojekts wird auf der Untersuchung von so genannten Partial Decode-and-Forward (PDF) Techniken für den Standard-Relaiskanal sowie den bidirektionalen MIMO Relaiskanal liegen, insbesondere mit Blick auf erreichbare Raten und Ratenregionen. Im Gegensatz zum konventionellen Decode-and-Forward (DF) ist PDF eine Relaistechnik, bei der nur Teile der von der Quelle gesendeten Nachrichten am Relais decodiert und weitergeleitet werden. Somit kann PDF auch als Verallgemeinerung der DF Technik, bei der die komplette Nachricht des Senders decodiert werden muss, interpretiert werden. Ein wesentliches Ziel wird die Identifikation von Szenarien sein, in denen PDF Techniken angewendet auf MIMO Kanäle Vorteile gegenüber reinem DF aufweisen, und damit einhergehend die Herausstellung der besonderen Bedeutung von PDF für MIMO Relaissysteme. Um den direkten Verbindungskanal zwischen den Endgeräten von bidirektionalen MIMO Relaiskanälen zu berücksichtigen, soll die Untersuchung und der Vergleich von verschiedenen drei- und vierphasigen Protokollen im Vordergrund stehen. Der geplante Ansatz zur Maximierung der erreichbaren Raten sowie der cut-set upper bound wird auf der Suche nach optimalen statistischen Momenten zweiter Ordnung (Sendekovarianzmatrizen) der Sendestationen und des Relais beruhen. Im Hinblick auf die Lösbarkeit der resultierenden Optimierungsaufgaben werden, wenn möglich, konvexe Formulierungen vorgezogen. Der Einsatz matrixwertiger Gradienten-Projektionsverfahren ist wünschenswert und soll ebenfalls verfolgt werden. Im Falle nichtkonvexer Formulierungen sollen Strategien entwickelt werden, die eine Ausnutzung struktureller Eigenschaften der vorliegenden Aufgabenstellungen nutzen. Die resultierenden Ergebnisse zu Ratenregionen der untersuchten Relaisszenarien werden schließlich die Voraussetzung dafür liefern, erreichbare untere Grenzen für die Kapazitätsregionen größerer Netzwerke zu untersuchen. Besondere Beachtung sollen hierbei Netzwerktopologien erfahren, die beispielsweise im Kontext so genannter Heterogeneous Networks und Multihop Cooperative Cellular Systems auftreten.

• DFG Programme: Research Grants