Cooperative Techniques for Wireless Ad Hoc and Cellular Networks

Nei canali wireless, l'impatto del fading può essere ridotto utilizzando tecniche e paradigmi cooperativi che traggano vantaggio dalla diversità in trasmissione, laddove nodi non impegnati in trasmissioni assistano le comunicazioni dei propri vicini. La cooperazione può essere implementata attraverso diverse strategie, e con differenti scopi. Il lavoro presentato in questa tesi è perciò incentrato sullo studio delle modalità di applicazione concreta di tecniche cooperative diverse in ambienti differenti. La prima parte del lavoro mira ad identificare quale miglioramento delle prestazioni possa essere garantito attraverso meccanismi di Coded Cooperation in reti wireless Ad Hoc: obiettivo dell'analisi è quindi identificare l'impatto della cooperazione a livello di rete. Inoltre, viene presentato e descritto un protocollo cross-layer allo scopo di esemplificare una possibile implementazione pratica di tale schema cooperativo. I risultati mostrano come la cooperazione sia efficace sia localmente che globalmente. Da un lato infatti essa può irrobustire il singolo collegamento tra due nodi della rete, allorché uno o più cooperatori utilizzino le proprie risorse per aiutare la sorgente nella consegna del pacchetto alla relativa destinazione. Dall'altro lato, è possibile sfruttare la presenza dei cooperatori per identificare percorsi alternativi nella consegna del pacchetto a destinazioni più distanti, aggirando aree della rete ad elevata congestione ed evitando link soggetti a cattive condizioni di canale. Uno schema cooperativo basato sulla Coded Cooperation è stato applicato ad una rete i cui nodi dispongono di antenne multiple. Infatti, la tecnologia MIMO rende più semplice la coordinazione dei nodi coinvolti nella trasmissione cooperativa, poiché rende possibile la decodifica di più trasmissioni simultanee. Nello schema proposto viene implementata una forma distribuita di HARQ, in grado di reagire a variazioni di interferenza e di fading sfruttando sia il guadagno di codice che la diversità spaziale. Nella seconda parte del lavoro l'analisi si incentra sui benefici derivanti dall'utilizzo di relay in reti cellulari di tipo CDMA relativamente al canale di uplink: particolare attenzione viene posta alla necessità di adattare l'implementazione dei meccanismi cooperativi alla presenza di vincoli dettati dagli standard vigenti; tali vincoli possono infatti limitare la flessibilità degli schemi adottati e, di conseguenza, l'efficacia della cooperazione. Sono state analizzate pertanto tecniche cooperative facilmente implementabili, quali Amplify & Forward e Decode & Forward. Obiettivo del lavoro è stata l'identificazione di linee guida che possano essere tenute in considerazione in fase di progettazione di protocolli cooperativi per questo tipo di reti: infatti, sia la posizione che le capacità del cooperatore hanno un notevole impatto sulle prestazioni. Inoltre, l'assegnazione delle frequenze risulta fondamentale per contenere l'interferenza. Lo studio qui presentato mostra come l'uso della cooperazione garantisca un incremento del raggio di copertura, o, equivalentemente, una riduzione della potenza richiesta al terminale mobile in presenza di relay. Allo scopo di individuare un limite teorico alla capacità del sistema cooperativo, che richiede calcoli combinatori nonché la determinazione delle aree coperte da una o più stazioni radio o relay, è stato infine sviluppato un algoritmo iterativo, presentato nell'ultima parte del lavoro.