Abstract

This dissertation presents and proposes a comprehensive concept of a particular type of cooperative communications called cooperative spatial multiplexing system. The main advantage of the system is that it allows for the realization of MIMO performance in single-antenna wireless terminals environment. This also means that the proposed systems will be superior to the currently existing SISO and MIMO schemes, especially in low-SNR conditions.

Transmission schemes for uplink/downlink amplify-and-forward and decode-and-forward relaying were investigated and proposed. In the amplify-and-forward scheme, non-regenerative relays are employed such that they only amplify and forward different portion of the received signal at a reduced data rate to the receiver (destination). While in decode-and-forward scheme, the regenerative relays actually decode the received signal before forwarding it to the destination sink. MIMO communication is established for relays to destination data transmission. For downlink transmission, the relays may opt to forward the data to the destination by utilizing simple TDM transmission or Alamouti's space-time coding. The combination of transmitter, relays, and receiver forms a virtual MIMO system in single-antenna wireless terminals environment. Symbol decoding at the destination sink is done by SNR (Signal-to-Noise Ratio) and LLR (Log-Likelihood Ratio) based detection ordering schemes, along with successive interference cancellation process.

Theoretical analysis on the performance of the different above-mentioned transmission schemes based on Gram-Schmidt orthogonalization process is also presented. The analysis focuses on the outage probability and average BER performance of the system under Rayleigh fading environment. Closed-form solutions for 1x2x2 uplink and 2x2x1 downlink systems employing coherent BPSK modulation are presented. The theoretical analysis results are then confirmed with Monte-Carlo simulations in order to prove their validity and accuracy. We further derived the optimal and semi-optimal transmit power allocation schemes for the different systems by applying Lagrange multiplier optimization to the outage probability expressions. This allows the system to allocate power optimally between the source and relaying terminals, such that the outage probability and BER will be minimized for the given link conditions. Hence, as a result, performance improvements over the classical uniform power distribution scheme are expected.

本論文は「Design and Analysis of Cooperative Spatial Multiplexing System in Wireless Relay Networks(無線協調通信システムにおける空間多重方式の設計と解析に関する研究)」と題し,単一アンテナ端末環境においてもMIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) システムに匹敵する性能を得られる協調型空間多重通信方式の設計と解析について論じている。

第1章は,「Introduction」であり,無線通信システム技術の進展やMIMO技術への期待などについて触れ,小型携帯端末においてもMIMOで得られる程度の性能が求められていることを示し,本研究の背景と各章の目的について述べている。

第2章「Background Theory」では,本研究の関連研究として協調通信システム,多重化技術,空間多重化方式としてV-BLAST方式を示すとともに,本研究の基礎理論として無線通信環境におけるフェージング理論を記している。

第3章「Cooperative Wireless MIMO Communications: Uplink Transmission」では,協調型空間多重通信方式を携帯端末から基地局に向けたアップリンクで用いるシステムを提案し.Amplify-and-Forwardシステムと Decode-and- Forwardシステムの2方式のシステムモデルを示している.モンテカルロシミュレーションを行い,送信端末と中継端末との間の距離が短くなると,ビット誤り率ならびに品質劣化確率(Outage Probability)が低下することを明らかにしている.また,SISO (Single-Input-Single-Output)システムやV-BLAST方式との性能比較を行い,Decode- and-Forwardシステムが性能的に優れていることを明らかにしている。

第4章「Cooperative Wireless MIMO Communications: Downlink Transmission」では,協調型空間多重通信方式を基地局から携帯端末に向けたダウンリンクで用いるシステムを提案し,Amplify-and-Forwardシステムと Decode-and- Forwardシステムの2方式のシステムモデルを示している。この際,時空間符号化を中継端末において適用する方式もあわせて考慮している。モンテカルロシミュレーションを行い,送信端末と中継端末との間の距離が長くなると,ビット誤り率ならびに品質劣化確率が低下することを明らかにしている.また,SISO (Single- Input-Single-Output)システムやV-BLAST方式との性能比較を行い,時空間符号化を用いたDecode-and-Forwardシステムが性能的に優れていることを明らかにしている。

第5章「Theoretical Performance Analysis of Uplink and Downlink Cooperative Spatial Multiplexing Systems」では,第3章と第4章で示したシステムのビット誤り率ならびに品質劣化確率を数学的な解析で導き,他の手法との比較を理論的に行っている。これにより,中継端末位置と品質との関係を明らかにすることができ,協調型空間多重方式の設計に資することが可能となる。また,本解析で得られた解析結果とシミュレーション結果とを比較することで,本解析手法の妥当性を明らかにしている。

第6章「Theoretical Capacity of Cooperative Spatial Multiplexing Systems」では,第5章で得られた品質劣化確率を利用して,協調型空間多重通信方式の容量を理論的に導き,他の手法との比較を容量の観点から理論的に行っている。

第7章「Optimal Power Allocation Scheme for Cooperative Spatial Multiplexing Systems」では,協調型空間多重通信方式において送信端末と中継端末の送信電力を最適に配分する方法を理論的に導いている.送信端末と中継端末とが同じ電力で送信する場合に比べ,ビット誤り率や品質劣化確率が低減することを示している。

第8章「Concluding Remarks」では,本論文の成果をまとめるとともに,第3世代携帯電話システムや衛星通信システムなどへの適用可能性,協調型空間多重無線通信システムの実現に向けて残された課題,および今後の研究の方向性について述べている。

以上,これを要するに本論文は,単一アンテナ端末環境においてもMIMOシステムに匹敵する性能を得られる協調型空間多重無線通信システムを提案し,理論解析ならびにシミュレーションによって有効性を多角的に評価しているもので,電気工学上寄与するところが少なくない。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。