Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Abstract

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.

This thesis provides a novel framework based on multi-layer paradigms, to analyze, model, design, and optimize future communications systems. The thesis exploits a novel physical layer framework based on the interplay between information theory, estimation theory, probability methods, communication theory and coding techniques. This framework leads to proposals of design methods for next generation-very high data rate communication systems. In addition, this thesis exploits multiple access layer techniques based on the interplay between delay and throughput performance for the design of wireless delay tolerant networks. Building upon foundational work on the interplay between information theory and estimation theory, leading to proposals of an alternative paradigm for the analysis, design and optimization of communication systems. Based on new studies of the relation between the mutual information and the MMSE, this approach overcomes, in an innovative way, the inherent difficulties concerning the optimization of the reliable information transmission rates of key communication systems and allows the exploitation of the optimal power allocation and optimal precoding structures for different wireless and wired/optical channel models. The thesis also addresses the delay problem, to accommodate the huge demand of high data rates in communication systems. This is done through the proposal of new models and designs for systems that adopt network coding mechanisms in layers above its physical layer. In particular, this research work addresses the usage of network coding schemes for time varying channels that are delay sensitive. This was demonstrated via the proposal of a new model that has led to a novel adaptive scheme, which in turn is implemented in algorithms and applied to wireless systems with complex fading behavior, such as satellite systems. Furthermore, the thesis addresses the usage of network coding schemes in mobile and delay stringent handover scenarios. This is done through the proposal of novel models of the WiFi IEEE 802.11 MAC layer transmission techniques which are evaluated in comparison with network coding scheme, and demonstrated by solutions to novel formulations that allow seamless handover of the mobile station. Therefore, this thesis, through analytical work and design proposals backed by modeling and simulation studies establishes the fact that future telecommunication system designs should consider transmission and coding strategies that are not only capacity achieving, but also delay tolerant and that such design have to be done with care and awareness of the physical layer and the communication channel behavior.