Design and optimization of multiuser cooperative protocols for wireless networks

Abstract

Recently, the main trend in wireless communications has shifted from voice transmission to data communication. Naturally, this shift caused an increase in the data rate and bandwidth requirements. Being a limited and thus expensive resource, wireless spectrum needs to be used efficiently. For higher spectral and data rate efficiency, new spectrum allocation policies as well as new transmission techniques are needed. Cooperative and cognitive radios are promising emerging technologies, which can enable efficient spectrum resource utilization as well as high data rate transmission in the next generation wireless networks. This thesis addresses wireless relay networks consisting of multiple cooperative and/or cognitive nodes. The main contribution of this thesis is the extension of cooperative strategies from two users to three user settings, focusing on mutual cooperation. In the first part of this dissertation, we concentrate on a superposition block Markov encoding based three user cooperative communication scheme for a fading Gaussian multiple access channel. We consider all possible channel conditions between users and propose a channel adaptive block Markov encoding strategy. In the second part of this thesis, for the same three user MAC model we discuss a new channel non-adaptive superposition block Markov encoding structure which enables all three users to cooperate collectively as well as in pairs. The proposed cooperation models not only provide increased diversity to all participating users, but also contain as special cases the multiple relay channel and the multiple access relay channel. In the third part, we focus on the joint use of cognition and cooperation. In particular, we consider overlay and underlay cooperative-cognitive radio models with one primary and two secondary users. We extend the cooperative encoding models developed for the three user MAC to the cognitive set-up. In all three problems studied in this thesis, we obtain new and improved achievable rate regions, by cognition and/or cooperation.

Son zamanlarda kablosuz haberleşme alanındaki başlıca trend, ses iletişimden veri iletişimine doğru kaymıştır. Doğal olarak bu kayma veri hızı ve band genişliğinde artan bir ihtiyaca neden olmuştur. Mevcut kaynakların limitli ve pahalı olması sebebiyle de, kablosuz spektrumun efektif bir şekilde kullanılması gerekmektedir. Daha yüksek spektrum ve veri hızı verimliliği için, yeni iletiiim tekniklerine ihtiyaç olduğu gibi yeni spektrum paylaşım politikalarına da ihtiyaç bulunmaktadır. Bu tez, çoklu işbirlikli ve/veya bilişsel birimleri kapsayacak şekilde kablosuz röle ağlara yönelik olarak hazırlanmıştır. Bu tezin en önemli katkısı, işbirlikli stratejilerin iki kullanıcıdan üç kullanıcının ortak işbirliğine dayalı olarak geliştirilmesidir. Bu tezde ilk kısımda, birçok yeni işbirlikli Gauss çoklu erişim kanalı iki kullanıcılı üste bindirmeli blok Markov kodlamanın önemli bir şekilde geliştirilmesi ile üç kullanıcı için işbirliği stratejileri önerilmiştir. Bu tezin ilk kısmında, sönümlenmeli Gauss çoklu erişim kanalı için üç kullancılı işbirlikli haberleşme modeline bağlı olarak üste bindirmeli blok Markov kodlama teknikleri geliştirilmiştir. Kullanıcılar arası tüm kanal durumlarını göz önünde bulundurulmuş ve kanal adaptif bir blok Markov kodlama stratejisi önerilmiştir. Tezin ikinci kısmında ise, aynı üç kullanıcılı ÇEK modeli için, tüm kullanıcıların eşzamanlı olarak ikili ve üçlü işbirliğine adanmış farklı mesajlar üzerinden işbirliği yapabildikleri yeni kanal adaptif olmayan bir blok Markov kodlama yapısı önerilmiştir. Önerilen işbirlikli modeller sadece eş zamanlı çok kullanıcılı işbirliğine imkan tanımakla kalmayıp, aynı zamanda çoklu röle ve çoklu erişim röle kanalını da özel birer durum olarak içermektedir. Üçüncü kısımda bilişsellik ve işbirliğinin ortak kullanımına odaklanılmıştır. Özellikle, alta ve Üste serim işbirlikli-bilişsel radyo modelleri, bir birincil kullanıcı ve iki ikincil kullanıcı ile ele alınmı¸stır. Üç kullanıcılı ÇEK için geliştirilen işbirlikli kodlama modelleri bilişsel kuruluma doğru genişletilmiştir. Bu tezde çalışılmış olan her bir problemde, bilişsel ve/veya işbirlikli yapının kullanılmasıyla yeni ve geliştirilmiş ulaşılabilir veri alanları elde edilmiştir.