Il est attendu que les radios flexibles constituent un tournant technologique majeur dans le domaine des communications sans fil. Le point de vue adopté en radios flexibles est de considérer les canaux de communication comme un ensemble de ressources qui peuvent être accédées sur demande par un réseau primaire sous licence ou de manière opportuniste par un réseau secondaire à plus faible priorité. Du point de vue de la couche physique, le réseau primaire n’a aucune information sur l’existence de réseaux secondaires, de sorte que ces derniers doivent explorer l’environnement aérien de manière autonome à la recherche d’opportunités spectrales et exploiter ces ressources de manière optimale. Les phases d’exploration et d’exploitation, qui impliquent la gestion de nombreux agents, doivent être très fiables, rapides et efficaces. L’objectif de cette thèse est de modéliser, d’analyser et de proposer des solutions efficaces et quasi optimales pour ces dernières opérations.En ce qui concerne la phase d’exploration, nous calculons le test optimal de Neyman-Pearson de détection de plusieurs sources primaires via un réseau de capteurs. Cette procédure permet à un réseau secondaire d’établir la présence de ressources spectrales disponibles. La complexité calculatoire de l’approche optimale appelle cependant la mise en place de méthodes moins onéreuses, que nous rappelons et discutons. Nous étendons alors le test de détection en l’estimation aveugle de la position de sources multiples, qui permet l’acquisition d’informations détaillées sur les ressources spectrales disponibles.Le second volet de cette thèse est consacré à la phase d’exploitation optimale des ressources au niveau du réseau secondaire. Pour ce faire, nous obtenons une approximation fine du débit ergodique d’un canal multi-antennes à accès multiples et proposons des solutions peu coûteuses en termes de feedback afin que les réseaux secondaires s’adaptent rapidement aux évolutions rapides du réseau primaire. / Future cognitive radio networks are expected to come as a disruptive technological advance in the currently saturated field of wireless communications. The idea behind cognitive radios is to think of the wireless channels as a pool of communication resources, which can be accessed on-demand by a primary licensed network or opportunistically preempted (or overlaid) by a secondary network with lower access priority. From a physical layer point of view, the primary network is ideally oblivious of the existence of a co-localized secondary networks. The latter are therefore required to autonomously explore the air in search for resource left-overs, and then to optimally exploit the available resource. The exploration and exploitation procedures, which involve multiple interacting agents, are requested to be highly reliable, fast and efficient. The objective of the thesis is to model, analyse and propose computationally efficient and close-to-optimal solutions to the above operations.Regarding the exploration phase, we first resort to the maximum entropy principle to derive communication models with many unknowns, from which we derive the optimal multi-source multi-sensor Neyman-Pearson signal sensing procedure. The latter allows for a secondary network to detect the presence of spectral left-overs. The computational complexity of the optimal approach however calls for simpler techniques, which are recollected and discussed. We then proceed to the extension of the signal sensing approach to the more advanced blind user localization, which provides further valuable information to overlay occupied spectral resources.The second part of the thesis is dedicaded to the exploitation phase, that is, the optimal sharing of available resources. To this end, we derive an (asymptotically accurate) approximated expression for the uplink ergodic sum rate of a multi-antenna multiple-access channel and propose solutions for cognitive radios to adapt rapidly to the evolution of the primary network at a minimum feedback cost for the secondary networks.

We consider the transmission of correlated sources over a multiple access channel(MAC). Multiple access channels are important building blocks in many practical communication systems, e.g., local area networks(LAN), cellular systems, wireless multi-hop networks. Thus this topic has been studied for last several decades. One recent motivation is estimating a random field via wireless sensor networks. Often the sensor nodes are densely deployed resulting in correlated observations. These sensor nodes need to transmit their correlated observations to a fusion center which uses this data to estimate the sensed random field. Sensor nodes have limited computational and storage capabilities and very limited energy. Since transmission is very energy intensive, it is important to minimize it. This motivates our problem of energy efficient transmission of correlated sources over a sensor network. Sensor networks are often arranged in a hierarchical fashion. Neighboring nodes can first transmit their data to a cluster head which can further compress information before transmission to the fusion center. The transmission of data from sensor nodes to their cluster-head is usually through a MAC. At the fusion center the underlying physical process is estimated. The main trade-off possible is between the rates at which the sensors send their observations and the distortion incurred in estimation at the fusion center. The availability of side information at the encoders and/or the decoder can reduce the rate of transmission. In this thesis, the above scenario is modeled as an information theoretic problem. Efficient joint source-channel codes are discussed under various assumptions on side information and distortion criteria. Sufficient conditions for transmission of discrete/continuous alphabet sources with a given distortion over a discrete/continuous alphabet MAC are given. We recover various previous results as special cases from our results. Furthermore, we study the practically important case of the Gaussian MAC(GMAC) in detail and propose new joint source-channel coding schemes for discrete and continuous sources. Optimal schemes are identified in different scenarios. The protocols like TDMA, FDMA and CDMA are widely used across systems and standards. When these protocols are used the MAC becomes a system of orthogonal channels. Our general conditions can be specialized to obtain sufficient conditions for lossy transmission over this system. Using this conditions, we identify an optimal scheme for transmission of Gaussian sources over orthogonal Gaussian channels and show that the Amplify and Forward(AF) scheme performs close to the optimal scheme even at high SNR. Next we investigate transmission of correlated sources over a fast fading MAC with perfect or partial channel state information available at both the encoders and the decoder. We provide sufficient conditions for transmission with given distortions. We also provide power allocation policies for efficient transmission. Next, we use MAC with side information as a building block of a hierarchical sensor network. For Gaussian sources over Gaussian MACs, we show that AF performs well in such sensor network scenarios where the battery power is at a premium. We then extend this result to the hierarchical network scenario and show that it can perform favourably to the Slepian-Wolf based source coding and independent channel coding scheme. In a hierarchical sensor network the cluster heads often need to send only a function of the sensor observations to the fusion center. In such a setup the sensor nodes can compress the data sent to the cluster head exploiting the correlation in the data and also the structure of the function to be computed at the cluster head. Depending upon the function, exploiting the structure of the function can substantially reduce the data rate for transmission. We provide efficient joint source-channel codes for transmitting a general class of functions of the sources over the MAC.

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.

In this thesis, we investigate physical-layer network coding in an L × M × K relay network, where L source nodes want to transmit messages to K sink nodes via M relay nodes. We focus on the information processing at the relay nodes and the compute-and-forward framework. Nested lattice codes are used, which have the property that every linear combination of codewords is a valid codeword. This property is essential for physical-layer network coding. Because the actual network coding occurs on the physical layer, the network coding coefficients are determined by the channel realizations. Finding the optimal network coding coefficients for given channel realizations is a non-trivial optimization problem. In this thesis, we provide an algorithm to find network coding coefficients that result in the highest data rate at a chosen relay. The solution of this optimization problem is only locally optimal, i.e., it is optimal for a particular relay. If we consider a multi-hop network, each potential receiver must get enough linear independent combinations to be able to decode the individual messages. If this is not the case, outage occurs, which results in data loss. In this thesis, we propose a new strategy for choosing the network coding coefficients locally at the relays without solving the optimization problem globally. We thereby reduce the solution space for the relays such that linear independence between their decoded linear combinations is guaranteed. Further, we discuss the influence of spatial correlation on the optimization problem. Having solved the optimization problem, we combine physical-layer network coding with physical-layer secrecy. This allows us to propose a coding scheme to exploit untrusted relays in multi-user relay networks. We show that physical-layer network coding, especially compute-and-forward, is a key technology for simultaneous and secure communication of several users over an untrusted relay. First, we derive the achievable secrecy rate for the two-way relay channel. Then, we enhance this scenario to a multi-way relay channel with multiple antennas. We describe our implementation of the compute-and-forward framework with software-defined radio and demonstrate the practical feasibility. We show that it is possible to use the framework in real-life scenarios and demonstrate a transmission from two users to a relay. We gain valuable insights into a real transmission using the compute-and-forward framework. We discuss possible improvements of the current implementation and point out further work. / In dieser Arbeit untersuchen wir Netzwerkcodierung auf der Übertragungsschicht in einem Relay-Netzwerk, in dem L Quellen-Knoten Nachrichten zu K Senken-Knoten über M Relay-Knoten senden wollen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Informationsverarbeitung an den Relay-Knoten und dem Compute-and-Forward Framework. Es werden Nested Lattice Codes eingesetzt, welche die Eigenschaft besitzen, dass jede Linearkombination zweier Codewörter wieder ein gültiges Codewort ergibt. Dies ist eine Eigenschaft, die für die Netzwerkcodierung von entscheidender Bedeutung ist. Da die eigentliche Netzwerkcodierung auf der Übertragungsschicht stattfindet, werden die Netzwerkcodierungskoeffizienten von den Kanalrealisierungen bestimmt. Das Finden der optimalen Koeffizienten für gegebene Kanalrealisierungen ist ein nicht-triviales Optimierungsproblem. Wir schlagen in dieser Arbeit einen Algorithmus vor, welcher Netzwerkcodierungskoeffizienten findet, die in der höchsten Übertragungsrate an einem gewählten Relay resultieren. Die Lösung dieses Optimierungsproblems ist zunächst nur lokal, d. h. für dieses Relay, optimal. An jedem potentiellen Empfänger müssen ausreichend unabhängige Linearkombinationen vorhanden sein, um die einzelnen Nachrichten decodieren zu können. Ist dies nicht der Fall, kommt es zu Datenverlusten. Um dieses Problem zu umgehen, ohne dabei das Optimierungsproblem global lösen zu müssen, schlagen wir eine neue Strategie vor, welche den Lösungsraum an einem Relay soweit einschränkt, dass lineare Unabhängigkeit zwischen den decodierten Linearkombinationen an den Relays garantiert ist. Außerdem diskutieren wir den Einfluss von räumlicher Korrelation auf das Optimierungsproblem. Wir kombinieren die Netzwerkcodierung mit dem Konzept von Sicherheit auf der Übertragungsschicht, um ein Übertragungsschema zu entwickeln, welches es ermöglicht, mit Hilfe nicht-vertrauenswürdiger Relays zu kommunizieren. Wir zeigen, dass Compute-and-Forward ein wesentlicher Baustein ist, um solch eine sichere und simultane Übertragung mehrerer Nutzer zu gewährleisten. Wir starten mit dem einfachen Fall eines Relay-Kanals mit zwei Nutzern und erweitern dieses Szenario auf einen Relay-Kanal mit mehreren Nutzern und mehreren Antennen. Die Arbeit wird abgerundet, indem wir eine Implementierung des Compute-and-Forward Frameworks mit Software-Defined Radio demonstrieren. Wir zeigen am Beispiel von zwei Nutzern und einem Relay, dass sich das Framework eignet, um in realen Szenarien eingesetzt zu werden. Wir diskutieren mögliche Verbesserungen und zeigen Richtungen für weitere Forschungsarbeit auf.

No description available.

In this thesis, we investigate physical-layer network coding in an L × M × K relay network, where L source nodes want to transmit messages to K sink nodes via M relay nodes. We focus on the information processing at the relay nodes and the compute-and-forward framework. Nested lattice codes are used, which have the property that every linear combination of codewords is a valid codeword. This property is essential for physical-layer network coding. Because the actual network coding occurs on the physical layer, the network coding coefficients are determined by the channel realizations. Finding the optimal network coding coefficients for given channel realizations is a non-trivial optimization problem. In this thesis, we provide an algorithm to find network coding coefficients that result in the highest data rate at a chosen relay. The solution of this optimization problem is only locally optimal, i.e., it is optimal for a particular relay. If we consider a multi-hop network, each potential receiver must get enough linear independent combinations to be able to decode the individual messages. If this is not the case, outage occurs, which results in data loss. In this thesis, we propose a new strategy for choosing the network coding coefficients locally at the relays without solving the optimization problem globally. We thereby reduce the solution space for the relays such that linear independence between their decoded linear combinations is guaranteed. Further, we discuss the influence of spatial correlation on the optimization problem. Having solved the optimization problem, we combine physical-layer network coding with physical-layer secrecy. This allows us to propose a coding scheme to exploit untrusted relays in multi-user relay networks. We show that physical-layer network coding, especially compute-and-forward, is a key technology for simultaneous and secure communication of several users over an untrusted relay. First, we derive the achievable secrecy rate for the two-way relay channel. Then, we enhance this scenario to a multi-way relay channel with multiple antennas. We describe our implementation of the compute-and-forward framework with software-defined radio and demonstrate the practical feasibility. We show that it is possible to use the framework in real-life scenarios and demonstrate a transmission from two users to a relay. We gain valuable insights into a real transmission using the compute-and-forward framework. We discuss possible improvements of the current implementation and point out further work. / In dieser Arbeit untersuchen wir Netzwerkcodierung auf der Übertragungsschicht in einem Relay-Netzwerk, in dem L Quellen-Knoten Nachrichten zu K Senken-Knoten über M Relay-Knoten senden wollen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Informationsverarbeitung an den Relay-Knoten und dem Compute-and-Forward Framework. Es werden Nested Lattice Codes eingesetzt, welche die Eigenschaft besitzen, dass jede Linearkombination zweier Codewörter wieder ein gültiges Codewort ergibt. Dies ist eine Eigenschaft, die für die Netzwerkcodierung von entscheidender Bedeutung ist. Da die eigentliche Netzwerkcodierung auf der Übertragungsschicht stattfindet, werden die Netzwerkcodierungskoeffizienten von den Kanalrealisierungen bestimmt. Das Finden der optimalen Koeffizienten für gegebene Kanalrealisierungen ist ein nicht-triviales Optimierungsproblem. Wir schlagen in dieser Arbeit einen Algorithmus vor, welcher Netzwerkcodierungskoeffizienten findet, die in der höchsten Übertragungsrate an einem gewählten Relay resultieren. Die Lösung dieses Optimierungsproblems ist zunächst nur lokal, d. h. für dieses Relay, optimal. An jedem potentiellen Empfänger müssen ausreichend unabhängige Linearkombinationen vorhanden sein, um die einzelnen Nachrichten decodieren zu können. Ist dies nicht der Fall, kommt es zu Datenverlusten. Um dieses Problem zu umgehen, ohne dabei das Optimierungsproblem global lösen zu müssen, schlagen wir eine neue Strategie vor, welche den Lösungsraum an einem Relay soweit einschränkt, dass lineare Unabhängigkeit zwischen den decodierten Linearkombinationen an den Relays garantiert ist. Außerdem diskutieren wir den Einfluss von räumlicher Korrelation auf das Optimierungsproblem. Wir kombinieren die Netzwerkcodierung mit dem Konzept von Sicherheit auf der Übertragungsschicht, um ein Übertragungsschema zu entwickeln, welches es ermöglicht, mit Hilfe nicht-vertrauenswürdiger Relays zu kommunizieren. Wir zeigen, dass Compute-and-Forward ein wesentlicher Baustein ist, um solch eine sichere und simultane Übertragung mehrerer Nutzer zu gewährleisten. Wir starten mit dem einfachen Fall eines Relay-Kanals mit zwei Nutzern und erweitern dieses Szenario auf einen Relay-Kanal mit mehreren Nutzern und mehreren Antennen. Die Arbeit wird abgerundet, indem wir eine Implementierung des Compute-and-Forward Frameworks mit Software-Defined Radio demonstrieren. Wir zeigen am Beispiel von zwei Nutzern und einem Relay, dass sich das Framework eignet, um in realen Szenarien eingesetzt zu werden. Wir diskutieren mögliche Verbesserungen und zeigen Richtungen für weitere Forschungsarbeit auf.

1993年有線電視法通過，有線電視逐漸取代無線電視，成為台灣主要的傳播媒介。有線電視因其纜線鋪設與經營形態等特性，成為自然壟斷的地方媒體；因此，法律上視其為「準公用事業」，並賦予回饋地方的義務，此為有線電視公用頻道出現的原因。 公用頻道的主要價值是落實媒體近用權，然而受到申播法規、業者經營意願與民眾製作影音內容技術門檻等限制，公用頻道在台灣的成效不彰。近年來新傳播科技興起，影音網站快速成為民眾慣用的近用平台，公用頻道存續意義乃受挑戰。本研究之目的即在探討數位匯流趨勢下，公用頻道的未來。研究發現，影音網站雖能儲存播放大量的民眾影片，但其本質仍屬「社群媒體」，與公用頻道作為社區媒體的功能不同。同時，影音網站的搜尋機制與使用者習慣也影響影片的曝光度，並不能提供一視同仁的公平近用。因此，本文認為，有線電視公用頻道的地方性與公平近用的經營理念，仍是公用頻道未來發展的應屬方向。 據此，本研究之創作實踐即以五十支「臺北市民故事館」短片，試驗公用頻道落實地方媒體近用，提升社區意識的可能製作方式。此短片透過口述歷史與數位自述之技巧，提高居民分享社區記憶、建立社區認同、參與社區事務，提升社區公益的意願，以作為公用頻道未來節目企劃製作的參考。 / In Taiwan, the previously prohibited cable television operators were legalized after the Cable Television Law was established in 1993. Like in many countries, cable television has gradually replaced network television as the primary media in Taiwan. The specific cable installation and its business model make cable television a monopolizing media in local communities. According to Cable Television Law, cable television is regarded as a “prospective public utility,” and one of its obligations is to serve the public. Therefore, the cable television public access channel was launched. The core value of public access channel is to grant the Right of Media Access. However, the practice of public access channel in Taiwan is hampered due to multiple restrictions such as broadcast application law, regulations, business management and the technical thresholds of audiovisual content production. In recent years, many websites, such as YouTube and youKU, have rapidly become the preferred access platform for the public. The necessity of public access channel is being questioned and challenged. Some studies showed that while audio and video websites can store and play a large number of access videos, their essence remains as “social media” rather than “community media,” such as public access channel. Furthermore, the audio video websites’ search mechanism and the users’ habits can both affect the exposure of the videos and impair the fair access of media. This study, supplemented with 50 related projects, intends to discuss the future development of public access channel under digital convergence. Through a year’s productions and surveys, the author concludes that the unique local relevance and the importance of providing fair access should be the emphasis of the future development of public access channel. The creative projects of this study, broadcasted on public access channel, present the public the right to access local media and enhance the community awareness. These projects, digital programs of personal life experiences, were designed for telling Taipei Stories. By employing oral history and digital storytelling techniques, these projects intend to encourage the residents share their community memories, enhance community identity, participate community affairs, and further improve the community charity. In addition, these projects can serve as references for planning and producing programs for public access channel in the future.

Opportunistic selection algorithms have grown in importance as next generation wireless systems strive towards higher data rates and spectral efficiencies. For example, in orthogonal frequency division multiple access(OFDMA), the system bandwidth is divided into many sub channels. For each sub channel, the user with the highest channel gain is opportunistically assigned to it. .Likewise, in a multi-source, multi-destination (MSD) cooperative relay system, a relay node must be assigned for every source-destination (SD) pair. The assignment decisions are based on local channel knowledge and must be fast so as to maximize the time available for data transmission. We develop novel multiple access based splitting-based selection algorithms for OFDMA and MSD systems. These systems are unique in that the same user and relay can be the most suitable one for multiple sub channels and multiple SD pairs, respectively. For OFDMA systems, we propose an algorithm called Split Select that assigns for every sub channel the user with the highest channel gain over it. For MSD systems, we propose a contention-based en masse assignment (CBEA) algorithm that assigns to each SD pair a relay that is capable of aiding it. Both Split Select and CBEA are fast and scale well with the number of nodes. For example, Split Select requires just 2.2 slots, on average, to assign a sub channel to its best user even when there are an asymptotically large number of contending users. Likewise, CBEA often takes far less than one slot, on average, to assign a relay to each SD pair.

Traditionally, source coding (data compression) and channel coding (error protection) are performed separately and sequentially, resulting in what we call a tandem (separate) coding system. In practical implementations, however, tandem coding might involve a large delay and a high coding/decoding complexity, since one needs to remove the redundancy in the source coding part and then insert certain redundancy in the channel coding part. On the other hand, joint source-channel coding (JSCC), which coordinates source and channel coding or combines them into a single step, may offer substantial improvements over the tandem coding approach. This thesis deals with the fundamental Shannon-theoretic limits for a variety of communication systems via JSCC. More specifically, we investigate the reliability function (which is the largest rate at which the coding probability of error vanishes exponentially with increasing blocklength) for JSCC for the following discrete-time communication systems: (i) discrete memoryless systems; (ii) discrete memoryless systems with perfect channel feedback; (iii) discrete memoryless systems with source side information; (iv) discrete systems with Markovian memory; (v) continuous-valued (particularly Gaussian) memoryless systems; (vi) discrete asymmetric 2-user source-channel systems. For the above systems, we establish upper and lower bounds for the JSCC reliability function and we analytically compute these bounds. The conditions for which the upper and lower bounds coincide are also provided. We show that the conditions are satisfied for a large class of source-channel systems, and hence exactly determine the reliability function. We next provide a systematic comparison between the JSCC reliability function and the tandem coding reliability function (the reliability function resulting from separate source and channel coding). We show that the JSCC reliability function is substantially larger than the tandem coding reliability function for most cases. In particular, the JSCC reliability function is close to twice as large as the tandem coding reliability function for many source-channel pairs. This exponent gain provides a theoretical underpinning and justification for JSCC design as opposed to the widely used tandem coding method, since JSCC will yield a faster exponential rate of decay for the system error probability and thus provides substantial reductions in complexity and coding/decoding delay for real-world communication systems. / Thesis (Ph.D, Mathematics & Statistics) -- Queen's University, 2008-05-13 22:31:56.425

Ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία. Στη ραγδαία εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις της σύγχρονης αγοράς για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας παράλληλα πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους πελάτες - χρήστες του. Είναι γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες, όπως και στην Ελλάδα. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Ωστόσο, η αδήριτη ανάγκη για μεγαλύτερες (ευρυζωνικές) ταχύτητες πρόσβασης οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των 3G δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών, με κυριότερο εκπρόσωπο τους την τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη του UMTS, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+, προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3G (UMTS) προτύπου. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό που προτυποποιεί τις νέες τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν την αμέσως επόμενη δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Το νέο αυτό project αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρος ζώνης. Κύρια προοπτική του LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Κατά συνέπεια, η αγορά κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη της αποκαλούμενης «Κινητής Ευρυζωνικότητας» (Mobile Broadband). Ταυτόχρονα με την εκτεταμένη εξάπλωση των δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και τις αυξημένες δυνατότητες των κινητών συσκευών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της πολυεκπομπής (multicasting) δεδομένων στα δίκτυα αυτά με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Επιπρόσθετα, οι χρήστες των κινητών δικτύων έχουν πλέον την απαίτηση να προσπελαύνουν εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Η υπηρεσία MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast), επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια σχετικά νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε ασύρματο σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς-κινητούς χρήστες. Το κρισιμότερο σημείο που εντοπίζεται κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι ο αποτελεσματικός έλεγχος ισχύος. Οι σταθμοί βάσης των κυψελωτών αυτών δικτύων διαθέτουν περιορισμένους πόρους ισχύος, γεγονός που περιορίζει τη χωρητικότητα της κυψέλης (cell) και επιβάλλει τη χρήση μίας βέλτιστης στρατηγικής για την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων ισχύος. Ο έλεγχος ισχύος στοχεύει στη μείωση της εκπεμπόμενης ισχύος, στην ελαχιστοποίηση του θορύβου στο κυψελωτό δίκτυο και κατά συνέπεια στη διασφάλιση μεγαλύτερης χωρητικότητας επιπλέον χρηστών. Ένα από τα βασικότερα στοιχεία του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς κατά τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων αποτελεί η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς για τη μετάδοση των δεδομένων στον κινητό χρήστη. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο είναι ακόμα υπό εξέταση στο 3GPP. Προς την κατεύθυνση αυτή, στο MBMS πρότυπο έχουν αναπτυχθεί διάφοροι μηχανισμοί, με χαρακτηριστικό τον MBMS Counting Mechanism. Στόχος του μηχανισμού αυτού είναι η βελτιστοποίηση της ροής δεδομένων για την υπηρεσία MBMS, όταν αυτά διέρχονται από τις διεπαφές του UMTS/HSPA δικτύου. Ωστόσο, η υπάρχουσα μορφή του μηχανισμού αυτού, καθώς και των αρκετών άλλων μηχανισμών που έχουν προταθεί από το 3GPP, διακρίνεται από πολλές αδυναμίες που δεν επιτρέπουν την αποτελεσματική και μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Τα σημαντικότερα προβλήματα των μηχανισμών αυτών είναι η απουσία ευρυζωνικών χαρακτηριστικών καθώς και η σπατάλη σημαντικού τμήματος των ούτως ή άλλως περιορισμένων πόρων ισχύος. Εν γένει, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των πολυμεσικών δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία μίας ολόκληρης κυψέλης. Γίνεται σαφές λοιπόν, ότι απαιτείται μία βελτιωμένη έκδοση των υπαρχόντων μηχανισμών για την αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε μεγάλο πλήθος χρηστών. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων/μηχανισμών για τη βελτιστοποίηση του. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της διατριβής αυτής είναι η ενσωμάτωση και η «εκμετάλλευση» όλων των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της HSPA τεχνολογίας στην MBMS υπηρεσία. Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και αξιολογούνται όλα τα υπάρχοντα κανάλια μεταφοράς του UMTS και της τεχνολογίας HSPA τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Η αξιολόγηση γίνεται με βάση την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, και κατά συνέπεια με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν, την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη, τη μέγιστη δυνατή κάλυψη της κυψέλης κ.α. Οι ιδιαίτερα αυξημένες απαιτήσεις των MBMS υπηρεσιών μας οδήγησαν στη συνέχεια στη διερεύνηση και αξιολόγηση ορισμένων τεχνικών μείωσης της εκπεμπόμενης ισχύος, με απώτερο σκοπό την αποδοτικότερη χρήση των πόρων του συστήματος κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως μία MBMS υπηρεσία με ρυθμό μετάδοσης 128 Kbps μπορεί να καταναλώσει έως και το 80% των πόρων ισχύος ενός σταθμού βάσης. Επομένως, γίνεται κατανοητό ότι η μετάδοση MBMS υπηρεσιών με τόσο υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης καθίσταται δύσκολη έως και αδύνατη. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί τεχνικές, όπως η FACH Dynamic Power Setting, η Macro Diversity Combining και το Rate Splitting, ικανές να μειώσουν τα επίπεδα ισχύος κατά τη μετάδοση multicast δεδομένων στους MBMS χρήστες. Η διδακτορική αυτή διατριβή εξετάζει την αποδοτικότητα της χρήσης αυτών των τεχνικών εξοικονόμησης ισχύος και παρουσιάζει πειραματικά αποτελέσματα που αποκαλύπτουν το ποσό ισχύος που εξοικονομείται από κάθε μία τεχνική. Η αξιολόγηση τόσο των καναλιών μεταφοράς όσο και των τεχνικών μείωσης ισχύος θα οδηγήσει στην εύρεση ενός κατάλληλου σχήματος/μηχανισμού, ο οποίος θα εξασφαλίζει την αποδοτική εναλλαγή μεταξύ των διάφορων τύπων καναλιών κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ο μηχανισμός αυτός, τον οποίο καλούμε MBMS Channel Assignment Mechanism (ή χάριν συντομίας «MCAM»), αναμένεται να εξασφαλίσει βελτιωμένη απόδοση σε σχέση με τους αντίστοιχους μηχανισμούς που έχουν προταθεί από το 3GPP, μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος και κατά συνέπεια αύξηση της χωρητικότητας των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς. Ωστόσο, το πιο αξιοπρόσεκτο πλεονέκτημα του προτεινόμενου μηχανισμού, που ουσιαστικά τον διαφοροποιεί από τις άλλες προσεγγίσεις, είναι ότι προσαρμόζεται στις αυξημένες απαιτήσεις των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς για ταυτόχρονη παροχή πολλαπλών πολυμεσικών συνόδων. Το γεγονός αυτό μπορεί να επιτρέψει τη μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε πληθώρα κινητών χρηστών, θέτοντας κατά τον τρόπο αυτό τον MCAM σαν έναν ισχυρό υποψήφιο για τα δίκτυα επόμενης γενιάς. / The rapid growth of mobile communications networks has involved an increasing demand for wireless, multimedia communication. The fast development of this area was mainly motivated by the requirements of modern market for a unified and functional system of mobile communications that, at the same time, may provide numerous broadband services to its users. More specifically, in the recent years, the usage of third generation (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) cellular networks has begun to rise in most European countries, as in Greece. 3G networks have replaced the second generation mobile networks and moreover, are in position of offering advanced services to mobile users. However, the need for higher (broadband) speeds led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. However, despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel project is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to UMTS and HSPA networks. Therefore, the mobile communications industry progressively evolves to next generation networks, with main target the achievement of the so called “Mobile Broadband”. Simultaneously, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and re-use the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today; however, they are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. For instance, mobile TV is expected to be a “killer” application for 3G’s. Such mobile TV services include streaming live TV (news, weather forecasts etc.) and streaming video (such as video clips). All the above constitute a series of indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia applications and services such as IP video conferencing and video streaming. The main requirement during the provision of MBMS multicast services is to make an efficient overall usage of radio and network resources. This necessity mainly translates into improved power control strategies, since the base stations’ transmission power is the limiting factor of downlink capacity in UMTS networks. Under this prism, power control is one of the most critical aspects in MBMS due to the fact that downlink transmission power in UMTS networks is a limited resource and must be shared efficiently among all MBMS users in a cell. Moreover, power control aims at minimizing the transmitted power, eliminating in this way the intercell interference. However, when misused, the use of power control may lead to a high level of wasted power and worse performance results. In order to have efficient power control in MBMS, one of the most critical aspects is the selection of the transport channel for the transmission of MBMS multicast traffic. MBMS services can be provided in each cell by either multiple point-to-point (PTP) channels or by a single point-to-multipoint (PTM) channel. A wrong channel selection may result to a significant capacity decrease, thus, preventing the mass delivery of multimedia applications. It is worth mentioning that channel selection is still an open issue in today’s MBMS infrastructure mainly due to its catalytic role in MBMS performance. In the frame of MBMS power control and transport channel selection several approaches have been proposed, with main representative the 3GPP MBMS Counting Mechanism. However, none of these approaches performs optimal transport channel selection either due to the fact that some of them do not consider the power consumption as the selection criterion or because of the fact that they do not consider all the available transport channels (or combination of them) for the transmission of the MBMS data. All the above stress the need for an advanced version of these mechanisms that could deliver multimedia content to a large number of mobile users in a more efficient and economic way. After taking into account the above analysis, objective of this dissertation is the study of power control issues in next generation mobile communication networks and the development of new approaches/ mechanisms for its optimization. To this direction, this dissertation analyzes and evaluates all the available UMTS and HSPA transport channels that could be used for the transmission of MBMS multicast services. Moreover, this dissertation investigates and evaluates several power saving techniques that aim at the efficient usage of radio and network resources. Techniques, such as Dynamic Power Setting, Macro Diversity Combining and Rate Splitting are capable of decreasing the power consumption during the provision of MBMS services and may enable the mass market delivery of multimedia services to mobile users. The evaluation of the available transport channels and power saving techniques will lead to the development of a novel scheme/mechanism that will enable the efficient selection of transport channels for the transmission of MBMS services. The proposed mechanism, which we call MBMS Channel Assignment Mechanism (or «MCAM»), is expected to optimally utilize the available power resources of base stations to MBMS sessions running in the network, resulting in that way to an extensive increase on the system’s capacity. Therefore, MCAM may allow the mass provision of multimedia data to a large number of mobile users, which makes MCAM a strong candidate for next generation networks.