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Librino, Federico (2010) Cooperative Techniques for Wireless Ad Hoc and Cellular Networks. [Tesi di dottorato]

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Documento PDF (Tesi di dottorato)
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Abstract (inglese)

The impact of fading and other impairments in wireless channels can be counteracted by leveraging communication diversity and introducing cooperative paradigms, where third-party nodes contribute to assist the communication. Cooperation can be implemented in a variety of schemes, and with a number of different purposes. In this work, we investigate how different cooperative techniques can be practically applied in different environments.

In the first part, we study the performance improvement offered by Coded Cooperation in wireless Ad Hoc networks. Our analysis aims at clarifying the impact of cooperation from a network-wide perspective, and a cooperative protocol is designed to illustrate a practical implementation. Cooperation is shown to be effective both locally and globally. On the one side, it can strengthen a single link, when one or more cooperators help the source in delivering the packet to its destination; on the flip side, cooperators may be exploited to find out alternative routes to deliver a packet to a far destination, thus avoiding bad links or crowded areas of the network. A cooperative scheme based on Coded Cooperation is applied to a network whose nodes are equipped with multiple antennas. MIMO technology in fact makes it easier to coordinate the nodes involved in each communication, since multiple concurrent transmissions can be decoded. In our scheme, a distributed form of HARQ is implemented, which is able to react to interference variations and channel fading by exploiting both coding gain and spatial diversity.

The second part discusses the use of relays in wireless CDMA cellular networks for uplink transmissions, with particular attention put to the constraints and the standard parameters that may affect the effectiveness of cooperation in a realistic scenario. Simple cooperative techniques like Amplify & Forward and Decode & Forward are tested. The goal is to identify some design directions that should be used when applying these cooperative techniques: cooperators positions and capabilities, in fact, have an impact on the obtained performance. Moreover, carrier assignment is important to keep interference under control. Our investigation shows that the coverage area can be increased through use of cooperation, or equivalently, that power saving is possible when a mobile terminal is helped by a relay.

In order to derive a theoretical limit to the capacity of these cooperative systems, which requires combinatorial calculations and the derivation of the areas covered by one or more Stations, an iterative algorithm has been developed and is also presented in the last part of this work.

Abstract (italiano)

Nei canali wireless, l'impatto del fading può essere ridotto utilizzando tecniche e paradigmi cooperativi che traggano vantaggio dalla diversità in trasmissione, laddove nodi non impegnati in trasmissioni assistano le comunicazioni dei propri vicini. La cooperazione può essere implementata attraverso diverse strategie, e con differenti scopi. Il lavoro presentato in questa tesi è perciò incentrato sullo studio delle modalità di applicazione concreta di tecniche cooperative diverse in ambienti differenti.

La prima parte del lavoro mira ad identificare quale miglioramento delle prestazioni possa essere garantito attraverso meccanismi di Coded Cooperation in reti wireless Ad Hoc: obiettivo dell'analisi è quindi identificare l'impatto della cooperazione a livello di rete. Inoltre, viene presentato e descritto un protocollo cross-layer allo scopo di esemplificare una possibile implementazione pratica di tale schema cooperativo. I risultati mostrano come la cooperazione sia efficace sia localmente che globalmente. Da un lato infatti essa può irrobustire il singolo collegamento tra due nodi della rete, allorché uno o più cooperatori utilizzino le proprie risorse per aiutare la sorgente nella consegna del pacchetto alla relativa destinazione. Dall'altro lato, è possibile sfruttare la presenza dei cooperatori per identificare percorsi alternativi nella consegna del pacchetto a destinazioni più distanti, aggirando aree della rete ad elevata congestione ed evitando link soggetti a cattive condizioni di canale. Uno schema cooperativo basato sulla Coded Cooperation è stato applicato ad una rete i cui nodi dispongono di antenne multiple. Infatti, la tecnologia MIMO rende più semplice la coordinazione dei nodi coinvolti nella trasmissione cooperativa, poiché rende possibile la decodifica di più trasmissioni simultanee. Nello schema proposto viene implementata una forma distribuita di HARQ, in grado di reagire a variazioni di interferenza e di fading sfruttando sia il guadagno di codice che la diversità spaziale.

Nella seconda parte del lavoro l'analisi si incentra sui benefici derivanti dall'utilizzo di relay in reti cellulari di tipo CDMA relativamente al canale di uplink: particolare attenzione viene posta alla necessità di adattare l'implementazione dei meccanismi cooperativi alla presenza di vincoli dettati dagli standard vigenti; tali vincoli possono infatti limitare la flessibilità degli schemi adottati e, di conseguenza, l'efficacia della cooperazione. Sono state analizzate pertanto tecniche cooperative facilmente implementabili, quali Amplify & Forward e Decode & Forward. Obiettivo del lavoro è stata l'identificazione di linee guida che possano essere tenute in considerazione in fase di progettazione di protocolli cooperativi per questo tipo di reti: infatti, sia la posizione che le capacità del cooperatore hanno un notevole impatto sulle prestazioni. Inoltre, l'assegnazione delle frequenze risulta fondamentale per contenere l'interferenza. Lo studio qui presentato mostra come l'uso della cooperazione garantisca un incremento del raggio di copertura, o, equivalentemente, una riduzione della potenza richiesta al terminale mobile in presenza di relay.

Allo scopo di individuare un limite teorico alla capacità del sistema cooperativo, che richiede calcoli combinatori nonché la determinazione delle aree coperte da una o più stazioni radio o relay, è stato infine sviluppato un algoritmo iterativo, presentato nell'ultima parte del lavoro.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Zorzi, Michele
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 22 > Scuole per il 22simo ciclo > INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE > SCIENZA E TECNOLOGIA DELL'INFORMAZIONE
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:31 Gennaio 2010
Parole chiave (italiano / inglese):Cooperation, CDMA, Relay, Ad Hoc Networks, Amplify and Forward, Decode and Forward
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-INF/03 Telecomunicazioni
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
Codice ID:2788
Depositato il:21 Set 2010 12:36
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