Opportunities, Benefits, and Constraints of Relaying in Mobile Communication Systems

In den letzten Jahren konnte sich drahtlose und mobile Kommunikation als fester Bestandteil unseres täglichen Lebens etablieren, wobei die Entwicklung hin zu immer höheren Datenraten, grenzenloser Mobilität, sowie unbegrenzter Flexibilität keinen Abbruch nimmt sondern stetig ansteigt.Während bestehende Mobilfunknetzwerke die erreichbaren Raten und die Anzahl unterstützter Nutzer erhöhen, werden immer neueMärkte erschlossen in denen dieMobilfunkkommunikation ihren Siegeszug fortsetzt. Drahtlose und mobile Funknetze durchlaufen eine Entwicklung von Sprach- oderMultimediadiensten hin zu Systemen, welche den primären Anschluss an das Internet darstellen. Um dieses anspruchsvolle Ziel zu erreichen, werden neue Technologien benötigt, wie z.B. Kooperation mehrerer Zellen, bewegliche Zugriffsknoten ohne Festnetzanbindung an das Datennetzwerk sowie Mehrantennenübertragung.
Zu den herausfordensten Problemen in zellularen Funknetzen gehört wohl die Interferenz zwischen den einzelnen Zellen. Um eine hinreichende Dienstequalität zu gewährleisten, koordinieren heutige Netze ihre Ressourcen so, dass zwei sich angrenzende Zellen unterschiedliche spektrale Ressourcen verwenden. Im Gegensatz dazu nutzt man Interferenz in Systemen mit Mehrzellenkooperation aus, indem z.B. mehrere Basisstationen kooperativ Nutzer versorgen anstatt lediglich die verwendeten Ressourcen zu koordinieren. Zudem wird die Dichte an Zugriffsknoten in derzeit verwendeten Systemen stetig erhöht, um die Wiederverwendung des Spektrums zu verbessern und die Anzahl der versorgten Nutzer zu erhöhen. Die Erhöhung der Knotendichte bedeutet jedoch eine Zunahme der notwendigen Aufbaukosten und erfordert darüber hinaus flexible und kostengünstige Alternativen zu bestehenden Technologien. In dieser Arbeit wird Relaying als eine solche Möglichkeit eingeführt, um die Dichte der Zugriffsknoten zu erhöhen, die Wiederverwendung des Spektrums zu verbessern sowie die Organisation des Netzwerkes flexibler zu gestalten. Nichtsdestotrotz verursacht Relaying auch eine Zunahme der Interferenz innerhalb der einzelnen Zellen, wodurch neue Algorithm zur Interferenzunterdrückung notwendig sind. Zunächst führt diese Arbeit den Vollduplex-Relaykanal ein, in dem ein einzelnes Kommunikationspaar durch mehrere Vollduplex-Relayknoten unterstützt wird. Mit Hilfe dieses Kanals werden Kodierstrategien mit unterschiedlicher Komplexität und Wirkungsregionen eingeführt und anschliessend für ein Systemmodell mit Gaussch’schen Rauschen evaluiert. Diese Analyse identifiziert einfache Protokolle mit hinreichender Leistung, welche auch im weiteren Verlauf der Arbeit verwendet werden. Aufbauend auf dieser Analyse führt anschliessend der Halbduplex-Relaykanal die Orthogonalitätsbedingung ein, welche besagt, dass ein Relayknoten nicht auf der gleichen Zeit-Frequenzresource senden und empfangen kann. Auch für diesen Kanal werden verschiedene Protokolle vorgestellt, diskusiert sowie mit Hilfe eines Kanals mit Gauss’scher Signalisierung evaluiert.
Daran anschliessend wird der Halbduplex-Relaykanal mit mehreren, parallen Kommunikationspaaren auf Basis des Broadcast- und Interferenzkanals eingeführt. Mit Hilfe dieses Modells können die Probleme und Anforderungen in einem relaybasierten Mobilfunknetz modelliert und evaluiert werden. Unter anderem werden Protokolle basierend auf Koordination and Kooperation von Quell- und Relayknoten diskutiert. Weiterhin werden diese Protokolle auf ein vereinfachtes Kanalmodel eines Mobilfunknetzes angewandt und analysiert. Es zeigt sich, dass eine einfach Kaskade von Quellknotenkooperation und Relayknotenkoordination in der Lage ist, eine signifikante Verbesserung der Raten gegenüber einem gewöhnlichen Mobilfunknetz zu erreichen.
Die Analyse dieser Arbeit wird durch eine Analyse auf Systemlevel abgeschlossen, welche die zuvor eingeführten Protokolle in einem Mobilfunksystem anwendet. Unter anderem werden die erreichbaren Raten in städtischen Szenarien mit Mikro- bzw. Makrozellenstruktur diskutiert.Weiterhin wird die Leistung der eingeführten Protokolle in Abhängigkeit von den Kosten für den Aufbau eines Relaynetzwerkes analysiert. Mit Hilfe dieser Analyse ist es möglich, die Umsetzbarkeit von Relaying als zusätzliche Option eines Mobilfunksystems zu beurteilen.
In dieser Arbeit wird schrittweise ein Vorschlag für ein relaybasiertes Mobilfunknetz herausgearbeitet. Unter anderem wird gezeigt, dass einfache Protokolle, bei denen das Relay die vollständige Nachricht dekodiert und weiterleitet, eine sehr gute Leistung bieten und dennoch die Kodier- und Dekodierkomplexität hinreichend gering ist. Weiterhin kann der Flaschenhals eines Relaynetzwerkes, die Verbindung zwischen Quelle und Relay, mit Hilfe einer kooperativen Übertragung wesentlich verbessert werden. Aufgrund der parallen Verwendung mehrerer Relayknoten können zudem mehrere Mikrozellen zu jeder Basisstation zugeordnet und parallel versorgt werden. Durch die mehrfache Verwendung der gleichen Resourcen innerhalb einer Zelle, kann Relaying in Mobilfunknetzen der nächsten Generation signifikante Ratenverbesserungen erreichen und erscheint demzufole als ernsthafte Zusatzoption für diese Netze