Diana Pamela Moya Osorio Spectrally Efficient Schemes for Amplify-and-Forward Relay Networks Esquemas Espectralmente Eficientes para Redes com Retransmissores do Tipo Amplifica-e-Encaminha Campinas 2015 i ii Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Diana Pamela Moya Osorio Spectrally Efficient Schemes for Amplify-and-Forward Relay Networks Esquemas Espectralmente Eficientes para Redes com Retransmissores do Tipo Amplifica-e-Encaminha Dissertation presented to the School of Electrical and Computer Engineering at the University of Campinas in partial fulfillment of the requirements for obtaining the Doctor degree in Electrical Engineering, in the area of Telecommunications and Telematics. Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Cam- pinas como parte dos requisitos exigidos para a obtençãodotítulodeDoutoraemEngenhariaElétrica, na Área de Telecomunicações e Telemática. Advisor/Orientador: José Cândido Silveira Santos Filho. Este exemplar corresponde à versão final da tese defendida pela aluna Diana Pamela Moya Osorio, e orientada pelo Prof. Dr. José Cândido Silveira Santos Filho. Campinas 2015 iii iv v vi Abstract Cooperative Communications have emerged as a promising technique to combat the deleterious effects of fading and boost the capacity and coverage of next generation wireless communication networks. By allowing different nodes in the network to share their antennas, this technique emulates a distributed multiple-input multiple- output (MIMO) system, thus providing the benefits of such system to networks in which the deployment of multiple antennas may be unfeasible. Inthissense, avarietyofnewchallenges haveariseninordertoexploit techniques that permit to achieve the full gains of cooperative relaying. A main limitation to be overcome is the use of the conventional half-duplex (HD) transmission mode, which produces a loss in the spectral efficiency due to the requirement of two channel uses per transmission. This thesis aims to advance in this field, by contributing with spectrally efficient techniques for cooperative relay networks based on the amplify- and-forward (AF) relaying protocol, which is attractive for its simplicity and ease of implementation. In particular, two strategies have been tackled. The first one addresses the HD transmission mode, in which the spectral efficiency is improved by using distributed link selection schemes. Such schemes avoid the continuous use of the relaying link by preselecting for transmission that link –direct or relaying– with the best channel conditions. In addition, the distributed implementation saves feedback overhead due to the requirements of channel state information (CSI). For this strategy, the following issues are investigated: multiple users, multiple relays, and a multi-antenna source, for both types of AF, i.e., variable gain and fixed gain; two different relay selection techniques for variable-gain AF in the multiuser and multirelay scenario; and the impact of outdated CSI due to feedback delay over the classical three-node system (source, relay, and destination) for variable-gain AF. The analysis is addressed in terms of outage probability and spectral efficiency. The second strategy considers the use of the full-duplex (FD) transmission mode, which has gained increasing attention in the last years due to the recent advances in mech- anisms for mitigating the self-interference in FD transceivers caused by the leakage vii of the transmitted signal into the receiver side. In particular, our contributions focus on the variable-gain AF protocol, in which the direct link between source and desti- nation is also employed to convey information. Maximal-ratio combining (MRC) is carried out at the destination to merge the signals coming from source and relay. It is considered that the relay undergoes a residual self-interference due to imperfec- tions in the cancellation techniques. First, the outage performance is investigated for the basic three-node system model. Then, an adaptive mode-selection scheme is proposed that opportunistically selects, according to the instantaneous channel conditions, among the following options: direct transmission with no cooperation, cooperative transmission in HD mode with MRC at the destination, and cooperative transmission in FD mode with MRC at the destination. In this scheme, an energy normalization per block is assumed, and the analysis is addressed in terms of outage performance and energy efficiency. Key-words: cooperative communications; distributed link selection; energy effi- ciency; full duplex; half duplex; outage probability; relaying protocols; spectral efficiency. viii Resumo Ascomunicações cooperativasemergiramcomouma técnica promissora paracombater osefeitos prejudiciais do fenômeno de desvanecimento e ampliar a capacidade e a cobertura das futuras gerações de redes de comunicações sem fio. Essa técnica permite que diferentes nós da rede possam compartilhar suas antenas, emulando um sistema com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) e proporcionando, assim, os benefícios de tal sistema a redes em que a implan- tação de múltiplas antenas resulta inviável. Nesse sentido, uma variedade de novos desafios tem surgido no intuito de explorar estrategias que permitam obter os ganhos plenos da comunicação cooperativa. Uma limitação importante a ser superada consiste na utilização do convencional modo de transmissão, half-duplex (HD), que acarreta uma perda na eficiência espectral devido à exigência de dois usos de canal por cada transmissão. A presente tese visa avançar nesse campo, contribuindo com técnicas espectralmente eficientes para redes cooperativas baseadas em retransmissores (relay), com ênfase no protocolo amplifica-e-encaminha (AF), o qual tem se mostrado atraente por sua simplicidade e facilidade de implementação. Em particular, duas es- tratégias são abordadas. A primeira delas contempla o modo de transmissão HD, cuja eficiência espectral é melhorada através da utilização de esquemas distribuídos de seleção de enlace. Tais esquemas evitam o uso contínuo do enlace de relays, pré-selecionando para cada transmissão aquele enlace –direto ou relaying– que apresenta as melhores condições de canal. Além disso, a implementação distribuída conduz a uma economia na sobrecarga de realimentação decorrente dos requisitos de informação do estado do canal (CSI). Para essa primeira estratégia, são in- vestigados os seguintes cenários: ambiente com múltiplos usuários, múltiplos relay e múltiplas antenas na fonte para ambos os tipos de AF, ou seja, de ganho variável e de ganho fixo; com- paração de duas técnicas de seleção de relay para AF de ganho variável com múltiplos usuários e múltiplos relays; e o impacto da CSI desatualizada devido a variações no estado do canal entre o momento de seleção de enlace e o momento de transmissão, para um sistema clássico de três nós (fonte, relay e destino) com o protocolo AF de ganho variável. A análise é efetuada em termos da probabilidade de outage e da eficiência espectral. A segunda estratégia considera o uso do modo de transmissão full-duplex (FD), o qual tem ganhado força nos últimos anos devido aos avanços nos mecanismos para mitigar a autointerferência produzida em transceptores FD ix por conta da fuga de sinal do transmissor para o receptor. Particularmente, as contribuições se concentram no protocolo AF de ganho variável cujo enlace direto entre a fonte e o destino é também utilizado para transportar informação. Uma combinação por razão máxima (MRC) dos sinais vindos da fonte e do relay é realizada no receptor. Considera-se que o relay é afetado por interferência residual, produto das imperfeições nas técnicas de cancelamento de autointerferên- cia. Em primeira instância, o desempenho em termos da probabilidade de outage é investigado para o modelo básico do sistema de três nós. Posteriormente, um esquema de seleção de modo adaptativo é proposto, que permite selecionar de forma oportunista, de acordo com as condições instantâneas do canal, uma das seguintes opções de transmissão: direta sem cooperação, coop- erativa em modo HD com MRC no destino, e cooperativa em modo FD com MRC no destino. Nesse esquema, considera-se uma normalização de energia por bloco e a análise é efetuada em termos da probabilidade de outage e da eficiência energética. Palavras-chave: comunicações cooperativas; eficiência energética; eficiência espectral; full du- plex; half duplex; probabilidade de outage; protocolos de relay; seleção distribuída de enlace. x