Effects of Co-Channel Interference on the Performance of AF and DF Cooperative Networks Employing Optimum Combining and Multiple Antennas at Relay and Destination

Abstract

Las redes cooperativas a través de relays son una técnica prometedora utilizada para mejorar las comunicaciones inalámbricas en términos de diversidad, cobertura y ahorro de energía. AAmplify-and-forward (AF) y Detect-and-forward (DF) son los protocolos de cooperación más utilizados, que operan en dos fases: la fase de transmisión y la fase de retransmisión. En AF, el relay recibe la señal de la fuente durante la primera fase, la amplifica y la retransmite al destino. Mientras tanto, en DF, el relay recibe la señal, la detecta y envía el símbolo detectado al destino. Por otro lado, en las redes celulares, la interferencia cocanal (CCI) es uno de los principales problemas que degradan el rendimiento, especialmente cuando se utiliza una alta reutilización de canal. En este escenario, el combinador óptimo surge como la técnica que maximiza la relación señal-interferencia-más-ruido (SINR, del inglés, signal-to-interference-plus-noise ratio) y elimina el CCI, logrando la mejor diversidad incluso en presencia de interferencia de cocanal de alta potencia. En la presente tesis, se propone el combinador óptimo junto con múltiples antenas para combatir los efectos de la interferencia en redes celulares cooperativas. Específicamente, el rendimiento se evalúa para ambos protocolos (AF y DF), afectados por múltiples interferencias en el relay y el destino. Además, se estudian y comparan dos técnicas: transmisión de antenas múltiples y selección de antena de transmisión. El SINR instantáneo y la diversidad se analizan para cada escenario. Después, las expresiones cerradas de la función generadora de momento se derivan para obtener la tasa de error de bit (BER) para una variedad de modulaciones. Todos los resultados analíticos se validan utilizando simulaciones de Monte-Carlo, que muestran que los escenarios propuestos combaten el ICC y obtienen diversidad para AF y DF, y también para ambas técnicas de transmisión. Finalmente, las expresiones BER se utilizan para evaluar la cobertura y la eficiencia espectral del enlace femtocelular inverso, considerando un modelo de pérdida de propagación a 28 GHz.

Cooperative communication through relays is a promising technique used to improve wireless communications in terms of diversity, coverage extension and energy saving. Amplify-and-forward (AF) and detect-and-forward (DF) are the most used cooperative protocols, which operate in two phases: the broadcast phase and the relaying phase. In AF, the relay receives the signal from the source during the first phase, amplifies it and retransmits it to the destination. Whereas, in DF, the relay receives the signal, performs detection and send the detected symbol to the destination. On the other hand, in cellular networks, the co-channel interference (CCI) is one of the main problems which degrade the performance, specially when a high channel reuse is used. In this scenario, the optimum combining appears as the technique that maximizes the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) and eliminates the CCI, achieving the best diversity even in the presence of high-power co-channel interferers. In the present thesis, the optimum combining joined to multiple antennas to combat the effects of interference in cooperative cellular networks is proposed. Specifically, the performance for both protocols (AF and DF) affected by multiple interferers at relay and destination is evaluated. In addition, two techniques are studied and compared: multiple antenna transmission and transmit antenna selection. The instantaneous SINR and the diversity are analysed for each scenario. Then, closed-form expressions of the moment-generating function are derived in order to obtain the bit-error rate (BER) for a variety of modulations. All the analytical results are validated using Monte-Carlo simulations, which show that the proposed scenarios combat the CCI and obtain diversity for AF and DF and also for both transmission techniques. Finally, the BER expressions are used to evaluate the coverage and spectral efficiency of the uplink of femtocells by considering a path-loss model at 28 GHz.