Orthogonale und nicht-orthogonale Relay-Protokolle
Final Report Abstract
Ziel des Projektes “Nicht-orthogonale und orthogonale Relay-Protokolle” war die Evaluierung der Leistungsfähigkeit von nicht-orthogonalen und orthogonalen Relay-Protokollen unter praktischen Gesichtspunkten. Beider Durchführung stand besonders der Einfluss von Synchronisationsfehlern und die praktische Umsetzung der einzelnen Verfahren mit konkreten MCS im Vordergrund, welche den praktisch relevanten Bereich sehr gut abdecken. Als Relay-Protokolle kamen DF, CF und AF zum Einsatz. Für die Implementierung wurden dem aktuellen Stand der Technik entsprechende Codes und Modulationsverfahren verwendet. Weiterhin wurden für das CF-Protokoll optimale Quantisierer mit Hilfe der IB-Methode ermittelt. Beider Auswertung der Ergebnisse wurden Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren unter verschiedenen Randbedingungen analysiert, wobeiauf einen fairen Vergleich bezüglich des Energieverbrauchs geachtet wurde. Theoretische Ergebnisse behalten unter realistischen Bedingungen weitestgehend ihre Gültigkeit und wurden auf für die Praxis relevante Bereiche eingegrenzt. Weiterhin wurde der Einfluss von Phasenfehlern beim verteilten Beamforming sowohl theoretisch als auch simulativ untersucht. Es zeigt sich, dass sich selbst bei einer hohen Fehlervarianz Gewinne durch nicht-orthogonale Protokolle gegenüber orthogonalen verzeichnen lassen. Kleine Phasenungenauigkeiten degradieren den Durchsatz dagegen kaum, d.h. vor allem für Szenarien, in denen sich das Relay dicht an der Quelle befindet, zahlt sich das nicht-orthogonale Verfahren durch Anwendung von verteiltem Beamforming aus. Befindet sich das Relay hingegen eher in der Mitte, so fällt der Gewinn wesentlich geringer aus. Da in der Praxis nicht beliebig kleine Coderaten verfügbar sind, sind nicht-orthogonale Protokolle erst ab dem Schwellwert-SNR der kleinsten Rate lohnenswert. Eine viel versprechende Alternative sind Mehrstufencodes in Verbindung mit Superpositionsmodulation, welche eine Verallgemeinerung des bisherigen Ansatzes darstellen. Neben einem verbesserten Durchsatz auf Grund des “Shaping”-Gewinns ermöglichen sie auch eine einfachere Detektion an der Senke. Positioniert man das Relay sehr dicht an der Senke, gewinnt das CF-Protokoll an Bedeutung, da es aus informationstheoretischer Sicht höhere Raten erreicht als das DF-Protokoll, wenn der Quelle-Relay-Link den Flaschenhals des Systems darstellt. Für das hier betrachte Setup ist dieser Punkt ungefähr bei d = 0.8 erreicht. Von besonderer Bedeutung ist hierbei fur d → 1 die Diskretheit der praktisch verfügbaren MCS, weil diese die Kapazität des Relay-Senke-Links bei weitem nicht mehr ausnutzen konnen. Mit 8 Bit/s/Hz grenzt das hochste MCS, welches einer 4/5-ratig codierten 1024-QAM entspricht, schon an die praktischen Möglichkeiten. Dieser Sättigungseffekt sorgt dafür, dass nicht-orthogonale Protokolle durch Ausnutzung des direkten Links im zweiten Zeitschlitz zu bevorzugen sind. Abschließend wurden die Ergebnisse auf frequenzselektive Kanäle in Verbindung mit OFDM erweitert. Es zeigt sich, dass die absoluten Raten auf Grund des Fadings geringer ausfallen. Allerdings ergeben sich qualitativ dieselben Erkenntnisse.
Publications
- “Achievable Decode and Forward Rates for the 3-Node Relay Channel Considering Different Energy Constraints and Synchronization Errors”, 12th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS’15), Brüssel, Belgien, 2015
D. Kern, V. Kühn
(See online at https://doi.org/10.1109/ISWCS.2015.7454363) - “On Superposition Multilevel Coding for the 3-Node Relay Channel Exploiting Decode and Forward”, IEEE 82nd Vehicular Technology Conference (VTC 2015 Fall), Brüssel, Belgien, 2015
D. Kern, V. Kühn
(See online at https://doi.org/10.1109/VTCFall.2015.7391043) - “Practical Aspects of Decode and Forward in the Classical Relay Channel Exploiting Non-Orthogonal Channel Access”, 10th International ITG Conference on Systems, Communications and Coding (SCC’2015), Hamburg, Germany, 2015
D. Kern, V. Kühn
- “Practical Aspects of Compress and Forward with BICM in the 3-Node Relay Channel”, 20th International ITG Workshop on Smart Antennas (WSA 2016), München, Deutschland, 2016
D. Kern, V. Kühn
