Cooperative wireless communicationspresent and future

Resumo

Wireless data traffic grows exponentially while, at the same time, communications in known point-to-point channels seem to have almost achieved the Shannon Limit. In order to satisfy demand the fundamental point-to-point limitation needs to be circumvented by considering communications in wireless networks jointly in all nodes. Cooperative wireless communications achieve greater communication performance through networked collaboration not unlike the networking of computers has empowered computation. This topic covers a broad range of theoretical and practical aspects, as well as the evolution of wireless networks in an extended span of time from the state of the art and current standards, to the backwards-compatible modification of current technologies in the near future, while they are still in the middle of their life cycle, and the preparation of theoretical ground works for the writing of new standards in the distant future. The first part of the thesis focuses on the present. In the theoretic aspect, a survey is performed on the state of the art in research literature about the analysis of cooperative diversity gains at multiple levels of the protocol stack. In the practical aspect, the implementation of a detailed system level simulator puts to test the rules for relaying in the most recent cellular standard, which is an early instance of cooperation. The second part of the thesis focuses on the near future. The scarcity of spectrum in the microwave bands employed by current technologies is identified as a major problem that can be tackled with cooperation. In the theoretic aspect, an analytical study is performed to compute the social spectrum gains in cognitive radio cooperative spectrum leassing mechanisms. In the practical aspect, the results illustrate that the limited gains of cooperation in current standards can be improved in some emergent application niches such as machine-to-machine communications, much more suitable to be used with cooperative spectrum leasing than personal data services. The last part of the thesis focuses on the distant future. The spectrum crunch will be palliated through the introduction of massive degrees of freedom made possible by moving communication up to millimeter-wave bands that allow more bandwidth, antennas and node density. In the theoretical aspect, a scaling law analysis proves that there is a limit to the increment of capacity through massive resources, and that said limit must be pushed further back with cooperative multi-hop communications in new standards. In the practical aspect, a summary covers the future research topics in information theory, physical and medium access control layers that must pave the way for the design of the hardware in future wireless networks.Esta tesis estudia el papel de las comunicaciones cooperativas en las redes sin hilos, para lo que hemos identificado tres pasos distintos para la incorporación de la cooperación en redes inalámbricas en general, y en las redes celulares de telefonía y datos en particular. La tesis se divide en tres partes que corresponden a cada una de estas etapas. La primera parte de la tesis se centra en el presente, en el que el modelo teórico de canales de cooperación está relativamente desarrollado, pero su implementación en dispositivos reales es prácticamente inexistente, con la excepción de algunos gestos menores para acercarse como los relays estáticos en la versión más reciente del estándar de redes celulares. La segunda parte de la tesis se centra en el futuro cercano (aproximadamente desde el presente hasta la década de 2020), que corresponde a la duración del ciclo de vida de la actual generación de tecnologías. En este período la compatibilidad entre los dispositivos de la misma familia será una prioridad, y las posibles mejoras llegarán en forma de incremento en la eficiencia de uso de las mismas frecuencias (microondas) y arquitecturas (dúplex estático y topologías en árbol). La última parte se refiere en un futuro más avanzado (a partir de 2020), cuando expire la actual generación de tecnologías y nuevos estándares de comunicaciones tomen su lugar. Durante este período, se abre una ventana de oportunidad para introducir cambios drásticos en la filosofía de diseño, y será posible ampliar el espectro de las redes hacia nuevas bandas (ondas milimétricas) o nuevas topologías (dúplex dinámico y topología totalmente conectada).Esta tese estuda o rol das comunicacións cooperativas nas redes sen fíos, para o cal se identificaron tres etapas distintas para a incorporación da cooperación nas redes sen fíos en xeral, e nas redes celulares de telefonía e datos en particular. A tese está dividida en tres partes que se corresponden con cada unha destas etapas. A primeira parte da tese céntrase no presente, en que o modelado teórico de canles cooperativas está relativamente desenvolvido, pero a súa implementación en dispositivos reais é prácticamente inexistente coa excepción dalgúns leves xestos de aproximación como os relays estáticos na última versión do estándar de redes celulares. A segunda parte da tese céntrase no futuro próximo (aproximadamente dende o presente ata a década de 2020), que se corresponde coa extensión do ciclo de vida das tecnoloxías da actual xeración. Dado que neste periodo a compatibilidade entre dispositivos da mesma familia será unha prioridade, as posibles melloras han de chegar na forma de refinamentos na eficiencia de uso das mesmas frecuencias (microondas) e arquitecturas (dúplex estático e topoloxías en árbore). A última parte correspondese co futuro máis avanzado (a partir de 2020), cando se extinga a actual xeración de comunicacións e novos estándares tomen o lugar dos actuais. Durante este periodo abrirase unha ventá de oportunidade para a introdución de cambios drásticos na filosofía de deseño, e será posible expandir o espectro das redes cara novas bandas (ondas milimétricas) ou novas topoloxías (dúplex dinámico e topoloxía completamente conectada).