Abstract The thesis concentrates on evaluating and improving performances of various multiple-input multiple-output (MIMO) relaying scenarios that are particularly relevant to future wireless systems. A greater emphasis is placed on important practical situations, considering relay deployments, availability of channel state information (CSI), limitations of spectrum, and information secrecy. Initially, the performance of a non-coherent amplify-and-forward (AF) MIMO relaying is analyzed when the relay is deployed with the relay-to-destination channel having a line-of-sight (LoS) path. The main attention is given to analyzing the performance of orthogonal space-time block coded based non-coherent AF MIMO system. Exact expressions of statistical parameters and performance metrics are derived considering the instantaneous signal-to-noise ratio (SNR) received at the destination. These performance metrics reveal that a strong LoS component in relay-destination channel always limits the performance promised by MIMO scattering environment when both nodes have multiple antennas. The thesis also considers scenarios in MIMO two-way relaying (TWR) with physical layer network coding (PNC) mapping at the relay. PNC mapping becomes complex with multiple streams being combined at the relay node. Joint precoder-decoder schemes are considered to ease this, and various studies are carried out depending on the CSI. The zero-forcing criterion is used at the nodes when perfect CSI is available. For the imperfect CSI scenario, a robust joint precoder-decoder design is considered. The precoder and decoder matrices are obtained by solving optimization problems, which are formulated to maximize sum-rate and minimize weighted mean square error (WMSE) under transmit power constraints on the nodes. Next, a precoder-decoder scheme for MIMO underlay device-to-device (D2D) communication system is investigated by considering two D2D modes; PNC based D2D and direct D2D. The joint design is based on minimizing mean square error (MSE) which is useful to mitigate interference, and to improve the performance of both D2D and cellular communications. Distributed and centralized algorithms are proposed considering bi-directional communication in both D2D and cellular communications. System performance is discussed with two transmit mode selection schemes as dynamic and static selection schemes. The results show that the PNC based D2D mode extends the coverage area of D2D communication. Finally, secure beamforming schemes for the PNC based MIMO TWR systems are investigated when multiple eavesdroppers are attempting to intercept the user information. The CSI of the user-to-eavesdropper channels is imperfect at the users. The channel estimation errors are assumed with both ellipsoidal bound and Gaussian Markov uncertainty models. Robust optimization problems are formulated considering both scenarios to design beamforming vectors at the users and relay. Numerical results suggest that the proposed algorithms converge fast and provide higher security. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa keskitytään arvioimaan ja parantamaan suorituskykyä useissa moniantennitoistinjärjestelmissä, jotka ovat ajankohtaisia tulevaisuuden langattomissa verkoissa. Erityisesti työssä analysoidaan tärkeitä käytännön tilanteita, sisältäen toistimien sijoittamisen, kanavatiedon saatavuuden, rajoitetun taajuuskaistan ja tiedon salauksen. Aluksi epäkoherentin, vahvistavan ja jatkolähettävän moniantennitoistimen suorituskykyä analysoidaan tilanteessa, jossa toistin on sijoitettu siten, että kohteeseen on suora yhteys. Suorituskyvyn arvioinnin pääkohteena on ortogonaalinen tila-aika-tason lohkokoodattu epäkoherentti vahvistava ja jatkolähettävä moniantennitoistin. Työssä johdetaan tarkat lausekkeet tilastollisille parametreille ja suorituskykymittareille ottaen huomioon hetkellinen signaalikohinasuhde vastaanottimessa. Nämä suorituskykymittarit ilmaisevat, että toistimen ja kohteen välillä oleva vahva suoran yhteyden komponentti rajoittaa sitä suorituskykyä, jota moniantennijärjestelmän hajontaympäristö ennustaa. Työssä tutkitaan myös kahdensuuntaisia moniantennitoistimia, jotka käyttävät fyysisen kerroksen verkkokoodausta. Koodauksesta tulee monimutkaista, kun monia datavirtoja yhdistetään toistimessa. Tämän helpottamiseksi käytetään yhdistettyä esikoodaus-dekoodausmenetelmää, jota tutkitaan erilaisten kanavatietojen tapauksissa. Täydellisen kanavatiedon tapauksessa käytetään nollaanpakotuskriteeriä. Epätäydellisen kanavatiedon tapauksessa käytetään robustia yhdistettyä esikoodaus-dekoodausmenetelmää. Esikoodaus- ja dekoodausmatriisit saadaan ratkaisemalla optimointiongelmat. Nämä ongelmat on muodostettu maksimoimaan summadatanopeus, ja minimoimaan painotettu keskineliövirhe, kun optimointirajoitteina ovat solmujen lähetystehot. Seuraavaksi esikoodaus-dekoodausmenetelmää tutkitaan moniantennijärjestelmässä, jossa käytetään kahdentyyppistä laitteesta-laitteeseen (D2D) kommunikaatiomenetelmää: fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuvaa D2D- ja suoraa D2D-kommunikaatiota. Yhteissuunnittelu perustuu keskineliövirheen minimointiin, joka on hyödyllistä, kun halutaan vähentää häiriötä ja parantaa molempien verkkojen suorituskykyä. Työssä ehdotetaan hajautettuja ja keskitettyjä algoritmeja tilanteessa, jossa käytetään kaksisuuntaista kommunikaatiota molemmissa verkoissa. Järjestelmän suorituskykyä arvioidaan, kun käytetään kahta eri lähetystilan valintaa, dynaamista ja staattista. Tulokset osoittavat, että fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuva D2D kasvattaa D2D-kommunikaatiojärjestelmän kantamaa. Lopuksi, turvallisia keilanmuodostustekniikoita arvioidaan fyysisen kerroksen verkkokoodaukseen pohjautuvassa kahdensuuntaisessa moniantennitoistinjärjestelmässä, kun useat salakuuntelijat yritävät siepata käyttäjätiedon. Käyttäjillä on epäideaalinen kanavatieto heidän ja salakuuntelijoiden välisten linkkien kanavista. Kanavatiedon estimointivirheitä arvioidaan ellipsoidisella ja Gauss-Markov-epävarmuusmallilla. Robustit optimointiongelmat, joissa suunnitellaan keilanmuodostusvektorit käyttäjän ja toistimen välille, muodostetaan molemmille malleille. Numeeriset tulokset osoittavat, että ehdotetut algoritmit konvergoituvat nopeasti ja tarjoavat korkeamman turvallisuuden.

Cooperative relay systems have emerged as promising techniques to boost the performance of wireless systems. Recent studies have confirmed that interferences, co-channel interferences (CCIs) and self-interferences, have a huge impact on cooperative relay systems and can cause significant performance degradation. Two problems were observed in this research. Firstly, previous studies on performance analysis of Amplify-and-Forward (AF) relay systems in presence of CCIs have only focused on a specific interference channel model. However, in practical design scenarios, such an assumption is not a realistic proposition. Secondly, analyses of overheads introduced by a time-based relay selection protocol in distributed cooperative systems have been based on an over-pessimistic assumption where all packets involved in a collision are destroyed. Nevertheless, collisions due to the protocol overheads cause the system performance to be degraded but this does not mean that the failure of end-to-end transmission certainly occurs. The thesis aims to analyse the performance of practical cooperative relay systems in the presence of CCIs and self-interferences, by developing exact mathematical methods. A new unified mathematical method for AF relay systems in presence of a random number of arbitrary non-identical CCIs was developed. The obtained new approach derived in terms of a moment generating function of the aggregate interferences' power led to the derivation of new explicit expressions. The new results greatly simplify evaluation of average error rates over diverse practical interference scenarios. Moreover, a new exact mathematical analysis for distributed cooperative relay systems employing a time-based relay selection protocol based on an accurate interference model was presented. This approach led to the derivation of new exact expressions for the spectral efficiency which accounts for both self-interferences and the protocol overheads as well as for different fading scenarios and arbitrary relay locations. This approach provided several advantages over direct approaches, one of which is that it significantly simplified averaging-out the joint random variables involved.

Les systèmes cellulaires modiles WiMAX ont pour objectif de fournir des services multimédias à haut débit à n'importe quel moment, n'importe quel endroit avec un prix abordable. La combinaison d'orthogonale accès multiples (OFDMA) et le relais en Wimax donnent plusieurs opportunités pour des réseaux moins coûteux et plus performances. La norme Wimax 802.16j élargit non seulement la couverture de la cellule, mais aussi augmente le débit moyen des utilisateurs. Plusieurs recherches de cette norme ont été publiées afin d'optimiser la performance du réseau. Cependant, lorsque nous étudions les architectures existantes du Wimax 802.16j standard et leur rendement, nous nous sommes aperçus que le débit du système pourrait être encore amélioré à l'aide de la réutilisation de fréquence. Dans la première partie de ce travail de recherche, nous avons examiné l'architecture existante de la norme 802.16j. Le débit total du système est légèrement plus élevé dans ces architectures que dans la norme sans relais. Afin d'améliorer le rendement du système de cette norme, nous avons proposé une nouvelle architecture de cette norme avec réutilisation de fréquence et de la technique de sectorisation. Le débit total augmente fortement dans notre approche comparant aux études existantes. Dans la deuxième partie, nous avons étudié l'impact de l'interférence dans notre modèle de relais. Les résultats de simulation montrent que les SINR de station mobile augmentent très légèrement. Cet impact d'interférence est assez faible et pourrait être négligeable. Nous concluons que notre proposition fournit toujours une meilleure performance. Dans la troisième partie, nous avons proposé une nouvelle approche d'allocation de ressources en liaison descendante afin de garantir les mêmes qualités de service pour les utilisateurs en maintenant un haut débit total. Les résultats de simulation montrent qu'il existe un compromis entre l'équité de la qualité de service et le débit total du système.

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.

Cooperative wireless communication is an attractive technique to explore the spatial channel resources by coordination across multiple links, which can greatly improve the communication performance over single links. In this dissertation, we study the cooperative multi-link channel properties by geometric approaches in body area networks (BANs) and cellular networks respectively.<p><p>In the part of BANs, the dynamic narrowband on-body channels under body motions are modeled statistically on their temporal and spatial fading based on anechoic and indoor measurements. Common body scattering is observed to form inter-link correlation between links closely distributed and between links having synchronized movements of communication nodes. An analytical model is developed to explain the physical mechanisms of the dynamic body scattering. The on-body channel impacts to simple cooperation protocols are evaluated based on realistic measurements. <p><p>In the part of cellular networks, the cluster-level multi-link COST 2100 MIMO channel model is developed with concrete modeling concepts, complete parameterization and implementation methods, and a compatible structure for both single-link and multi-link scenarios. The cluster link-commonness is introduced to the model to describe the multi-link properties. The multi-link impacts by the model are also evaluated in a distributed MIMO system by comparing its sum-rate capacity at different ratios of cluster link-commonness. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished