Cooperative diversity in MIMO channels with amplify-and-forward

• Auteur / Autrice : Sheng Yang
• Direction : Jean-Claude Belfiore
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés libres

Relais

MIMO [Multiple Input Multiple Output]

MIMO [Entrée Multiple Sortie Multiple]

Amplify-and-forward [AF]

Réseaux sans fils

Codage spatio-temporel

Diversité coopérative

Résumé

La coopération “amplify-and-forward” (AF) est une stratégie attrayante probablement en raison de sa basse complexité de relayage et de sa nature de linéarité. Dans cette thèse, nous montrons qu’elle est en effet efficace et optimale dans divers scénarios en ce qui concerne la diversité dans un canal à évanouissement. Employant le compromis diversité-multiplexage (DMT) en tant que notre outil d’évaluation, deux scénarios sont considérées : le scénario de grand réseau et le scénario de petit réseau. Dans les grands réseaux, exigeant les relais de décoder le message de source impose une contrainte dure et limite le gain de multiplexage réalisable en général, particulièrement quand la source et la destination ont des antennes multiples. La stratégie AF naïf est un traitement spatial qui attain le gain de multiplexage maximal mais souffre de la perte de gain de diversité. En a joutant un traitement temporel simple, la statégie “flip-and-forward” (FF) réalise le gain de diversité maximal et le gain de multiplexage maximal fournis par le canal. C’est le schéma coopératif le plus performant à jour dans ce scénario, en termes de DMT. Dans les petits réseaux, la statégie AF non-orthogonal (NAF) est d’abord étudiée. Elle est généralisée au cas d’antennes multiples, où des bornes supérieures et inférieures sur le DMT de NAF sont dérivées. Nous proposons ensuite une stratégie FF non-orthogonal qui réalise la diversité maximale du canal. Toutes protocoles semi-duplex de coopération connus, y compris la classe des protocoles “decode-and-forward” et “amplify-and-forward”, sont inefficaces dans le régime de gain de multiplexage élevé. Avec les relais multiples, nous prouvons que le gain de diversité peut être amélioré en laissant autant le signal de source que possible être expédié par les relais. On propose un protocole “slotted amplify-and-forward” (SAF). Il est montré que ce protocole tend vers la borne “cut-set” dans quelques cas particuliers quand le nombre de fentes va à l’infini. Les protocoles de coopération proposés dans cette thèse ont la structure equvalent aux systèmes à entrée-multiple sortie-multiple (MIMO) équivalent. Le critère de construction et l’implémentation des codes approximativement universels sont développés. La construction est alors appliquée aux canaux coopératifs étudiés.

Amplify-and-forward cooperation is an attractive scheme probably because of its low relaying complexity and its nature of linearity. In this thesis, we show that it is indeed efficient and optimal in various scenarios as far as the diversity is concerned. Using the diversity-multiplexing tradeoff (DMT) as our evaluation tool, two scenarios are considered : the large network scenario and the small network scenario. In large networks, requiring the relay terminals to decode the source message imposes a harsh constraint and limits the achievable multiplexing gain in general, especially when the source and the destination have multiple antennas. A naive amplify-and-forward scheme is space-only processing that achieves the maximum multiplexing gain but suffers from diversity loss. By introducing a simple temporal processing, a flip-and-forward scheme achieves both the maximum diversity and maximum multiplexing gain provided by the channel. It is the best known cooperative scheme in this scenario, in terms of the DMT. In small networks, the non-orthogonal amplify-and-forward (NAF) scheme is first studied. It is generalized to the MIMO case, where upper and lower bounds on the DMT the NAF scheme are derived. We then propose a non-orthogonal flip-and-forward scheme that achieves the maximum diversity of the channel. All the known half-duplex cooperation schemes, including both the class of decode-and-forward and amplify-and-forward schemes, are inefficient in the high multiplexing gain regime. With multiple relays, we show that the diversity gain can be improved by letting as much the source signal as possible be forwarded by the relays. A simple sequential slotted amplify-and-forward scheme is proposed. It is shown that this scheme tends to the cut-set bound in some particular cases when the number of slots goes to infinity. The proposed cooperation schemes in this thesis have equivalent MIMO or parallel MIMO channels. Both construction criterion and implementation of approximately universal codes are developed. The construction is then applied to studied cooperative channels.