Abstract In the current LTE-Advanced system, decode-and-forward (DF) is leveraged for cooperative relaying, where the erroneously decoded sequences are discarded at the relay, resulting in a waste of resources. The reason lies in that the erroneously decoded sequence can provide a certain amount of useful information about the source at the destination. Therefore, we develop a new relaying scheme, called lossy DF (also known as lossy forward (LF)), where the relay always forwards the decoded sequence to the destination. Beneficial from the always-forward principle, it has been verified that LF relaying outperforms DF relaying in terms of outage probability, ε-outage achievable rate, frame error rate (FER), and communication coverage. Three exemplifying network scenarios are studied in this thesis: the one-way multiple-input multiple-output (MIMO) relay network, the multiple access relay channel (MARC), and the general multi-source multi-relay network. We derive the outage probability of the one-way MIMO relay networks under the assumption that the orthogonal space-time block code (OSTBC) is implemented at the transmitter side for each individual transmission. Interestingly, we find that the diversity order of the OSTBC based one-way MIMO relay network can be interpreted and formulated by the well-known max-flow min-cut theorem, which is widely utilized to calculate the network capacity. For the MARC, non-orthogonal transmission is introduced to further improve the network throughput compared to its orthogonal counterpart. The region for lossless recovery of both sources is formulated by the theorem of multiple access channel (MAC) with a helper, which combines the Slepian-Wolf rate region and the MAC capacity region. Since the region for lossless recovery is obtained via sufficient condition, the derived outage probability can be regarded as a theoretical upper bound. We also conduct the performance evaluation by exploiting different accumulator (ACC) aided turbo codes at the transmitter side, exclusive or (XOR) based multi-user complete decoding at the relay, and iterative joint decoding (JD) at the destination. For the general multi-source multi-relay network, we focus on the investigation the end-to-end outage probability. The performance improvement of LF over DF is verified through theoretical analyses and numerical results in terms of outage probability. / Tiivistelmä Tämän päivän LTE-A-tiedonsiirtojärjestelmissä hyödynnetään dekoodaa-ja-välitä (decode-and-forward, DF) menetelmää yhteistoiminnalliseen tiedon edelleenlähetykseen (relaying) siten, että virheellisesti vastaanotetut sekvenssit hylätään välittimessä (relay). Tämä on resurssien hukkaamista, sillä virheellisissäkin viesteissä on informaatiota, jota voidaan hyödyntää vastaanottimessa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan uutta häviöllistä DF-menetelmää, johon viitataan nimellä häviöllinen välitys (lossy forward, LF). Menetelmässä välitin lähettää informaation aina eteenpäin olipa siinä virheitä tai ei. Sen etuna verrattuna perinteiseen DF-menetelmään, on parantunut luotettavuus metriikoilla jossa mitataan vastaanoton todennäköisyyttä ja verkon peittoaluetta. Väitöskirjassa tarkastellaan LF-menetelmää kolmessa eri verkkotopologiassa jotka ovat yksisuuntainen monitulo-monilähtövälitinverkko (multiple-input multiple-output, MIMO), moniliityntävälitinkanava (multiple access relay channel, MARC), sekä yleinen moniläheinen monivälitinverkko. Työssä johdetaan matemaattinen esitys estotilan todennäköisyydelle (outage probability) yksisuuntaisessa MIMO-välitinverkossa olettaen ortogonaalisen tila-aika lohkokoodin (orthogonal space-time block code, OSTBC) käyttö. Estotilan todennäköisyys esitetään käyttäen toisteastta (diversity order), joka saadaan johdettua tunnetusta max-flow min-cut lauseesta, jota puolestaan käytetään yleisesti erilaisten verkkojen kapasiteettien laskentaan. MARC-topologiassa hyödynnetään ei-ortogonaalista lähetystä verkon datavirran kasvattamiseen. Häviöttömän lähetyksen informaatioteoreettinen kapasiteettialue saadaan johdettua MAC-auttajan kanssa. Lähestymistavassa Slepian-Wolf- sekä MAC-kapasiteettialueet yhdistyvät. Alueelle, jossa kahden lähteen lähetysnopeudet ovat sellaiset, että vastaanotto on häviötöntä, annetaan riittävä ehto, jolloin johdettu estotilan todennäköisyys on teoreettinen yläraja. Suorituskykyä evaluoidaan myös tietokonesimulaatioilla, joissa käytetään erilaisia akkumulaattoriavusteisia turbokoodeja lähettimessä, ehdoton tai (exclusive or, XOR) pohjaista monen käyttäjän dekoodausta välittimessä sekä iteratiivista yhteisdekoodausta vastaanottimessa. Yleisessä monilähteisessä monivälitinverkossa keskitytään alkuperäisen lähetyksen estotilatodennäköisyyteen. Teoreettinen analyysi sekä simulaatiot osoittavat, että LF:n estotilan todennäköisyys on pienempi kuin DF:n.

Abstract The goal of this thesis is to provide a unified concept of lossy-forwarding from the theoretical analysis to practical scheme design for the decode-and-forward-based multiple access relay channel (MARC) system. To improve the performance of MARC with the relay subject to resources or/and time constraints, the erroneous estimates output from simple detection schemes are used at the relay are forwarded and exploited. A correlation is then found between two sequences: one is the network-coded sequence sent from the relay, and the other is their corresponding exclusive-OR-ed information sequence. Several joint network-channel coding (JNCC) techniques are provided in which the correlation is utilized to update the log-likelihood ratio sequences during the iterative decoding process at the destination. As a result, the bit error rate (BER) and frame error rate (FER) are improved compared with those of MARC with select DF strategy (SDF-MARC). The MARC proposed above is referred to as erroneous estimates-exploiting MARC (e-MARC). To investigate the achieved FER performance of the e-MARC system, the outage probability for e-MARC with two source nodes is theoretically derived. We re-formulate the e-MARC system and identify its admissible rate region according to the Slepian-Wolf theorem with a helper. Then, the outage probability is obtained by a set of integral over the rate region with respect to the probability density functions of all the links' instantaneous signal-to-noise power ratios. It is found through simulations that, as one of the source nodes is far away from both the relay and destination, e-MARC is superior to SDF-MARC in terms of outage performance. Furthermore, a joint adaptive network-channel coding (JANCC) technique is then proposed to support e-MARC with more source nodes. A vector is constructed at the destination in JANCC to identify the indices of the incorrectly decoded source node(s), and re-transmitted to the relay for requesting additional redundancy. The relay performs network-coding only over the estimates specified by the vector upon receiving the request. Numerical results show that JANCC-aided e-MARC is superior to e-MARC in terms of FER and goodput efficiency. In addition, compared iterative decoding is performed at relay with SDF-MARC, the use of differential detection with JANCC-aided e-MARC significantly reduces the computational complexity and latency with only a small loss in the FER. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjan tarkoituksena on tuottaa yhtenäinen kokonaisuus häviöllisestä lähetyksestä pura-ja-lähetä (DF) -pohjaisessa monikäyttörelejärjestelmässä (MARC) sekä teoreettisesta että käytännöllisestä näkökulmasta. Parantaakseen resurssi- tai aikarajoitetun MARC-järjestelmän suorituskykyä, vastaanotin hyödyntää riippuvuussuhdetta releen välittämien informaatiosekvenssien virheellisten estimaattien ja suoraan lähteestä tulevien informaatiosekvenssien välillä (e-MARC). Työssä ehdotetaan useita yhdistetyn verkko -ja kanavakoodauksen menetelmiä (JNCC), joissa log-uskottavuussuhdesekvenssit iteratiivisen purkamisprosessin aikana päivitetään hyödyntämällä sekvenssien riippuvuussuhdetta vastaanottimessa. Tämän tuloksena sekä bittivirhe- että kehysvirhesuhdetta saadaan parannettua verrattuna selektiiviseen pura-ja-lähetä menetelmää käyttävään MARC-strategiaan (SDF-MARC). Kehysvirheen suorituskyvyn tarkastelua varten työssä johdetaan teoreettinen epäkäytettävyyden todennäköisyys e-MARC-menetelmälle kahden lähettimen tapauksessa. Lisäksi e-MARC-menetelmälle määritetään tiedonsiirtonopeusalue Slepian-Wolf -teoreeman mukaisesti. Tämän jälkeen saadaan epäkäytettävyyden todennäköisyys kaikkien linkkien signaalikohinasuhteen todennäköisyystiheysfunktion integraalina tiedonsiirtonopeusalueen yli. Simulointitulokset osoittavat e-MARC-menetelmän paremman epäkäytettävyyden todennäköisyyden verrattuna SDF-MARC-menetelmään silloin kun yksi lähettimistä on kaukana sekä releestä että vastaanottimesta. Mahdollistaakseen useamman lähteen käytön e-MARC-menetelmässä, työssä ehdotetaan lisäksi adaptiivinen yhdistetyn verkko-ja kanavakoodauksen menetelmä (JANCC). Siinä vastaanotin määrittää väärin purettujen sekvenssien lähettimet ja ilmoittaa ne vektorimuodossa takaisin releelle pyytääkseen näiden lähettimien informaation uudelleenlähetystä. Tämän jälkeen rele suorittaa verkkokoodauksen vain tunnistusvektorin määrittämien informaatiosekvenssien estimaatteihin perustuen. Tulokset näyttävät, että JANCC-menetelmää käyttävä e-MARC saavuttaa paremman kehysvirheen ja hyödyllisen läpäisyn tehokkuuden verrattuna e-MARC-menetelmään.