Rateless Coded Cooperative Communications for Wireless Networks
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Abstract: In this thesis we investigate two main practical implementations of cooperative communications, so called Decode-and-Forward (DF) and Compress-and-Forward (CF) relaying, in conjunction with rateless codes. Dynamic decode-and-forward (DDF) is a version of decode-and-forward relaying in which the duration of the listening phase at relays is not fixed. In this thesis, we investigate half-duplex DDF relaying based on rateless codes. The use of rateless codes allows relays to autonomously switch from listening to the source node to transmitting to the destination node. We first revisit different signal combining strategies applied at the destination node, namely energy and information combining known from literature, and propose a new combining method which we refer to as mixed combining. The different combining methods give rise to different achievable rates, i.e., constrained channel capacities, for which we provide analytical expressions. The capacity analysis reveals the conditions under which mixed combining is superior and how it can be optimized. We then consider Raptor codes as a specific implementation of rateless codes and develop a density-evolution approximation to predict the data-rate performance of these codes in DDF relaying. Furthermore, we devise an optimization of the output symbol degree distribution of Raptor codes that is mainly used to benchmark the performance of Raptor codes with a fixed degree distribution. Numerical results for exemplary three-node and four-node relay networks show that the proposed mixed combining provides significant gains in achievable data rate and that Raptor codes with a fixed degree distribution are able to realize these gains and to approach closely the constrained-capacity limits. Compress-and-forward refers to another relevant relaying scheme, which is based on the concept of source coding with side information; namely Slepian-Wolf coding (SWC) and Wyner-Ziv coding (WZC). Using SWC/WZC, the relay attempts to exploit the correlation between its received signal, and the already received signal at the destination in order to compress its data. In contrast to DF, the duration of listening phase is a-priori defined. However, it may still be reasonable to facilitate CF relaying framework with rateless codes, since rateless codes ensure to adapt their rates not only to the capacity bounds (as a channel code) but also to compression bounds (as a source code), which leads to an overall rate-adaption, the so called fine tuning. In this thesis we provide theoretical backgrounds and preliminaries on compress-and-forward relaying strategy. We outline the principles and practical methods of implementing of SWC and WZC, mainly in a rateless scenario. We derive the bounds on maximum achievable rate of half-duplex CF scheme under peak power constraint (PPC), and propose a novel rateless coded CF scheme using systematic Raptor codes. We show that in terms of overall maximum achievable rate, using systematic Raptor codes for SWC/WZC significantly outperforms non-systematic ones. Furthermore, by introducing a parallel decoding method, density evolution analysis for CF transmission with systematic Raptor code is developed, which serves as the basis for optimization of transmission parameters. As expected, numerical results indicate clear performance improvement due to the optimized parameter.
Abstract
Zusammenfassung: In der vorliegende Arbeit untersuchen werden praktische Implementierung von kooperativer Kommunikation, sogenannte Decode-and-Forward (DF) sowie Compress-and-Forward (CF) Relay-Übertragung, in Verbindung mit ratenlosen Codes untersucht. Zuerst wird die halb-duplex DF Übertragung unter Einsatz von ratenlosen Codes betrachtet, welche dem Relay erlauben, den Umschaltzeitpunkt zwischen Empfangen und Senden des Quellensignals basierend auf den jeweiligen Übertragungsqualitäten zu optimieren. Diese Variation von DF Relay-Übertragung wird auch als Dynamic DF (DDF) bezeichnet. Die Detektion der Signale von der Informationsquelle und dem Relay am Informationsempfänger kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. In dieser Arbeit werden auf systematische Art und Weise zwei aus der Fachliteratur bekannte Methoden, nämlich sogenanntes Energy Combining und Information Combining behandelt. Diese Beschreibung erlaubt es, eine neuartige Detektionsmethode, welche wir Mixed Combining nennen, abzuleiten. Die verschiedenen Combining-Methoden führen zu unterschiedlichen erreichbaren Raten, die analytisch bestimmt werden. Anhand dieser Kapazitätzanalyse wird aufgezeigt, unter welchen Rahmenbedingungen Mixed Combining den anderen Methoden überlegen ist und wie es optimiert werden kann. Als zweiten wesentlichen Beitrag dieser Arbeit wird eine Analyse der erreichbaren Datenrate für DDF mit den verschiedenen Combining-Methoden und eine spezifische Implementierung von ratenosen Codes, sogenannten Raptor Codes entwickelt. Diese Analyse beruht auf einer Adaption der Density-Evolution Technik. Darüber hinaus wird ein Optimierungsproblem für das Design von Raptor Codes für DDF formuliert und gelöst. Diese optimierten Codes dienen als Benchmark für DDF mit universellen Raptor-Code Designs. Die numerische Ergebnisse für die Beispiele mit Drei- und Vier-Hop Relay-Netzwerken zeigen, dass die vorgeschlagene Mixed-Combining Methode eine signifikante Steigerung der erreichbaren Datenrate ermöglicht und DDF mit universellen Raptor Codes in der Lage ist, diese Steigerung in der Praxis zu realisieren. Compress-and-Forward bezeichnet ein weiteres grundlegendes Relay-Schema, das auf dem Konzept von Quellencodierung mit Seiteninformation basiert, nämlich Slepian-Wolf Codierung (SWC) und Wyner-Ziv Codierung (WZC). Mit Hilfe von SWC/WZC kann ein Relay die Korrelation zwischen seinem empfangenen Signal sowie dem bereits empfangenen Signal an der Destination zur Datenkompression zu nutzen versuchen. Im Gegensatz zu DF ist der Umschaltzeitpunkt in CF a-priori festgelegt. Es kann jedoch immer noch sinnvoll sein, ein CF Relaying Netzwerk mit ratenlosen Codes zu betreiben, da die Ratenanpassung von ratenlosen Codes nicht nur zur Grenze der Kanalkapazität hin erfolgen kann (als Kanalcode), sondern auch an die Grenze der Komprimierbarkeit (als Quellencode). Dies führt zu einer umfassenden Ratenanpassung, die als Fine-Tuning bezeichnet wird. In dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen und Voraussetzungen von Compress-and-Forward Relay Strategien dargestellt. Die Methoden und praktischen implementierungen von SWC und WZC werden speziell für ratenlose Anwendungen dargestellt. Die Grenzen der maximal erreichbaren Raten von spitzenleistungsbegrenzten halb-duplex CF Strategien werden hergeleitet und neue CF Strategien mit ratenloser Codierung werden für systematische Raptor Codes hergeleitet. Es wird gezeigt, dass hinsichtlich der maximalen Rate systematische Raptor Codes für SWC und WZC eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit erreichen als nicht-systematische Raptor Codes. Desweiteren wird durch Einführung eines parallelen Decodierschemas eine Density-Evolution Analyse für CF Übertragung mit systematischen Raptor Codes entwickelt, auf deren Grundlage die Übertragungsparameter weiter optimiert werden. Wie erwartet, zeigen die numerischen Ergebnisse eine deutlich verbesserte Leistungsfähigkeit aufgrund der Parameteroptimierung.