Full-Duplex Cooperative Cognitive Radio Networks with Wireless Energy Harvesting

This paper proposes and analyzes a new full-duplex (FD) cooperative cognitive radio network with wireless energy harvesting (EH). We consider that the secondary receiver is equipped with a FD radio and acts as a FD hybrid access point (HAP), which aims to collect information from its associated EH secondary transmitter (ST) and relay the signals. The ST is assumed to be equipped with an EH unit and a rechargeable battery such that it can harvest and accumulate energy from radio frequency (RF) signals transmitted by the primary transmitter (PT) and the HAP. We develop a novel cooperative spectrum sharing (CSS) protocol for the considered system. In the proposed protocol, thanks to its FD capability, the HAP can receive the PT's signals and transmit energy-bearing signals to charge the ST simultaneously, or forward the PT's signals and receive the ST's signals at the same time. We derive analytical expressions for the achievable throughput of both primary and secondary links by characterizing the dynamic charging/discharging behaviors of the ST battery as a finite-state Markov chain. We present numerical results to validate our theoretical analysis and demonstrate the merits of the proposed protocol over its non-cooperative counterpart.Comment: 6 pages, 3 figures, conferenc

Generalized Area Spectral Efficiency: An Effective Performance Metric for Green Wireless Communications

Area spectral efficiency (ASE) was introduced as a metric to quantify the spectral utilization efficiency of cellular systems. Unlike other performance metrics, ASE takes into account the spatial property of cellular systems. In this paper, we generalize the concept of ASE to study arbitrary wireless transmissions. Specifically, we introduce the notion of affected area to characterize the spatial property of arbitrary wireless transmissions. Based on the definition of affected area, we define the performance metric, generalized area spectral efficiency (GASE), to quantify the spatial spectral utilization efficiency as well as the greenness of wireless transmissions. After illustrating its evaluation for point-to-point transmission, we analyze the GASE performance of several different transmission scenarios, including dual-hop relay transmission, three-node cooperative relay transmission and underlay cognitive radio transmission. We derive closed-form expressions for the GASE metric of each transmission scenario under Rayleigh fading environment whenever possible. Through mathematical analysis and numerical examples, we show that the GASE metric provides a new perspective on the design and optimization of wireless transmissions, especially on the transmitting power selection. We also show that introducing relay nodes can greatly improve the spatial utilization efficiency of wireless systems. We illustrate that the GASE metric can help optimize the deployment of underlay cognitive radio systems.Comment: 11 pages, 8 figures, accepted by TCo

Performance enhancement solutions in wireless communication networks

In this dissertation thesis, we study the new relaying protocols for different wireless network systems. We analyze and evaluate an efficiency of the transmission in terms of the outage probability over Rayleigh fading channels by mathematical analyses. The theoretical analyses are verified by performing Monte Carlo simulations. First, we study the cooperative relaying in the Two-Way Decode-and-Forward (DF) and multi-relay DF scheme for a secondary system to obtain spectrum access along with a primary system. In particular, we proposed the Two-Way DF scheme with Energy Harvesting, and the Two-Way DF Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) scheme with digital network coding. Besides, we also investigate the wireless systems with multi-relay; the best relay selection is presented to optimize the effect of the proposed scheme. The transmission protocols of the proposed schemes EHAF (Energy Harvesting Amplify and Forward) and EHDF (Energy Harvesting Decode and Forward) are compared together in the same environment and in term of outage probability. Hence, with the obtained results, we conclude that the proposed schemes improve the performance of the wireless cooperative relaying systems, particularly their throughput. Second, we focus on investigating the NOMA technology and proposing the optimal solutions (protocols) to advance the data rate and to ensure the Quality of Service (QoS) for the users in the next generation of wireless communications. In this thesis, we propose a Two-Way DF NOMA scheme (called a TWNOMA protocol) in which an intermediate relay helps two source nodes to communicate with each other. Simulation and analysis results show that the proposed protocol TWNOMA is improving the data rate when comparing with a conventional Two-Way scheme using digital network coding (DNC) (called a TWDNC protocol), Two-Way scheme without using DNC (called a TWNDNC protocol) and Two-Way scheme in amplify-and-forward(AF) relay systems (called a TWANC protocol). Finally, we considered the combination of the NOMA and physical layer security (PLS) in the Underlay Cooperative Cognitive Network (UCCN). The best relay selection strategy is investigated, which uses the NOMA and considers the PLS to enhance the transmission efficiency and secrecy of the new generation wireless networks.V této dizertační práci je provedena studie nových přenosových protokolů pro různé bezdrátové síťové systémy. S využitím matematické analýzy jsme analyzovali a vyhodnotili efektivitu přenosu z hlediska pravděpodobnosti výpadku přes Rayleighův kanál. Teoretické analýzy jsou ověřeny provedenými simulacemi metodou Monte Carlo. Nejprve došlo ke studii kooperativního přenosu ve dvoucestném dekóduj-a-předej (Two-Way Decode-and-Forward–TWDF) a vícecestném DF schématu s větším počtem přenosových uzlů pro sekundární systém, kdy takto byl získán přístup ke spektru spolu s primárním systémem. Konkrétně jsme navrhli dvoucestné DF schéma se získáváním energie a dvoucestné DF neortogonální schéma s mnohonásobným přístupem (Non-orthogonal Multiple Access–NOMA) s digitálním síťovým kódováním. Kromě toho rovněž zkoumáme bezdrátové systémy s větším počtem přenosových uzlů, kde je přítomen výběr nejlepšího přenosového uzlu pro optimalizaci efektivnosti navrženého schématu. Přenosové protokoly navržených schémat EHAF (Energy Harvesting Amplify and Forward) a EHDF(Energy Harvesting Decode and Forward) jsou společně porovnány v identickém prostředí z pohledu pravděpodobnosti výpadku. Následně, na základě získaných výsledků, jsme dospěli k závěru, že navržená schémata vylepšují výkonnost bezdrátových kooperativních systémů, konkrétně jejich propustnost. Dále jsme se zaměřili na zkoumání NOMA technologie a navrhli optimální řešení (protokoly) pro urychlení datového přenosu a zajištění QoS v další generaci bezdrátových komunikací. V této práci jsme navrhli dvoucestné DF NOMA schéma (nazýváno jako TWNOMA protokol), ve kterém mezilehlý přenosový uzel napomáhá dvěma zdrojovým uzlům komunikovat mezi sebou. Výsledky simulace a analýzy ukazují, že navržený protokol TWNOMA vylepšuje dosaženou přenosovou rychlost v porovnání s konvenčním dvoucestným schématem používajícím DNC (TWDNC protokol), dvoucestným schématem bez použití DNC (TWNDNC protokol) a dvoucestným schématem v zesil-a-předej (amplify-and-forward) přenosových systémech (TWANC protokol). Nakonec jsme zvážili využití kombinace NOMA a zabezpečení fyzické vrstvy (Physical Layer Security–PLS) v podpůrné kooperativní kognitivní síti (Underlay Cooperative Cognitive Network–UCCN). Zde je zde zkoumán výběr nejlepšího přenosového uzlu, který užívá NOMA a bere v úvahu PLS pro efektivnější přenos a zabezpečení nové generace bezdrátových sítí.440 - Katedra telekomunikační technikyvyhově