Robust Transmissions in Wireless Powered Multi-Relay Networks with Chance Interference Constraints

In this paper, we consider a wireless powered multi-relay network in which a multi-antenna hybrid access point underlaying a cellular system transmits information to distant receivers. Multiple relays capable of energy harvesting are deployed in the network to assist the information transmission. The hybrid access point can wirelessly supply energy to the relays, achieving multi-user gains from signal and energy cooperation. We propose a joint optimization for signal beamforming of the hybrid access point as well as wireless energy harvesting and collaborative beamforming strategies of the relays. The objective is to maximize network throughput subject to probabilistic interference constraints at the cellular user equipment. We formulate the throughput maximization with both the time-switching and power-splitting schemes, which impose very different couplings between the operating parameters for wireless power and information transfer. Although the optimization problems are inherently non-convex, they share similar structural properties that can be leveraged for efficient algorithm design. In particular, by exploiting monotonicity in the throughput, we maximize it iteratively via customized polyblock approximation with reduced complexity. The numerical results show that the proposed algorithms can achieve close to optimal performance in terms of the energy efficiency and throughput.Comment: 14 pages, 8 figure

Cooperative Transmission for a Vector Gaussian Parallel Relay Network

In this paper, we consider a parallel relay network where two relays cooperatively help a source transmit to a destination. We assume the source and the destination nodes are equipped with multiple antennas. Three basic schemes and their achievable rates are studied: Decode-and-Forward (DF), Amplify-and-Forward (AF), and Compress-and-Forward (CF). For the DF scheme, the source transmits two private signals, one for each relay, where dirty paper coding (DPC) is used between the two private streams, and a common signal for both relays. The relays make efficient use of the common information to introduce a proper amount of correlation in the transmission to the destination. We show that the DF scheme achieves the capacity under certain conditions. We also show that the CF scheme is asymptotically optimal in the high relay power limit, regardless of channel ranks. It turns out that the AF scheme also achieves the asymptotic optimality but only when the relays-to-destination channel is full rank. The relative advantages of the three schemes are discussed with numerical results.Comment: 35 pages, 10 figures, submitted to IEEE Transactions on Information Theor

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

Analysis and Ad-hoc Networking Solutions for Cooperative Relaying Systems

Users of mobile networks are increasingly demanding higher data rates from their service providers. To cater to this demand, various signal processing and networking algorithms have been proposed. Amongst them the multiple input multiple output (MIMO) scheme of wireless communications is one of the most promising options. However, due to certain physical restrictions, e.g., size, it is not possible for many devices to have multiple antennas on them. Also, most of the devices currently in use are single-antenna devices. Such devices can make use of the MIMO scheme by employing cooperative MIMO methods. This involves nearby nodes utilizing the antennas of each other to form virtual antenna arrays (VAAs). Nodes with limited communication ranges can further employ multi-hopping to be able to communicate with far away nodes. However, an ad-hoc communications scheme with cooperative MIMO multi-hopping can be challenging to implement because of its de-centralized nature and lack of a centralized controling entity such as a base-station. This thesis looks at methods to alleviate the problems faced by such networks.In the first part of this thesis, we look, analytically, at the relaying scheme under consideration and derive closed form expressions for certain performance measures (signal to noise ratio (SNR), symbol error rate (SER), bit error rate (BER), and capacity) for the co-located and cooperative multiple antenna schemes in different relaying configurations (amplify-and-forward and decode-and-forward) and different antenna configurations (single input single output (SISO), single input multiple output (SIMO) and MIMO). These expressions show the importance of reducing the number of hops in multi-hop communications to achieve a better performance. We can also see the impact of different antenna configurations and different transmit powers on the number of hops through these simplified expressions.We also look at the impact of synchronization errors on the cooperative MIMO communications scheme and derive a lower bound of the SINR and an expression for the BER in the high SNR regime. These expressions can help the network designers to ensure that the quality of service (QoS) is satisfied even in the worst-case scenarios. In the second part of the thesis we present some algorithms developed by us to help the set-up and functioning of cluster-based ad-hoc networks that employ cooperative relaying. We present a clustering algorithm that takes into account the battery status of nodes in order to ensure a longer network life-time. We also present a routing mechanism that is tailored for use in cooperative MIMO multi-hop relaying. The benefits of both schemes are shown through simulations.A method to handle data in ad-hoc networks using distributed hash tables (DHTs) is also presented. Moreover, we also present a physical layer security mechanism for multi-hop relaying. We also analyze the physical layer security mechanism for the cooperative MIMO scheme. This analysis shows that the cooperative MIMO scheme is more beneficial than co-located MIMO in terms of the information theoretic limits of the physical layer security.Nutzer mobiler Netzwerke fordern zunehmend höhere Datenraten von ihren Dienstleistern. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurden verschiedene Signalverarbeitungsalgorithmen entwickelt. Dabei ist das "Multiple input multiple output" (MIMO)-Verfahren für die drahtlose Kommunikation eine der vielversprechendsten Techniken. Jedoch ist aufgrund bestimmter physikalischer Beschränkungen, wie zum Beispiel die Baugröße, die Verwendung von mehreren Antennen für viele Endgeräte nicht möglich. Dennoch können solche Ein-Antennen-Geräte durch den Einsatz kooperativer MIMO-Verfahren von den Vorteilen des MIMO-Prinzips profitieren. Dabei schließen sich naheliegende Knoten zusammen um ein sogenanntes virtuelles Antennen-Array zu bilden. Weiterhin können Knoten mit beschränktem Kommunikationsbereich durch mehrere Hops mit weiter entfernten Knoten kommunizieren. Allerdings stellt der Aufbau eines solchen Ad-hoc-Netzwerks mit kooperativen MIMO-Fähigkeiten aufgrund der dezentralen Natur und das Fehlen einer zentral-steuernden Einheit, wie einer Basisstation, eine große Herausforderung dar. Diese Arbeit befasst sich mit den Problemstellungen dieser Netzwerke und bietet verschiedene Lösungsansätze.Im ersten Teil dieser Arbeit werden analytisch in sich geschlossene Ausdrücke für ein kooperatives Relaying-System bezüglicher verschiedener Metriken, wie das Signal-Rausch-Verhältnis, die Symbolfehlerrate, die Bitfehlerrate und die Kapazität, hergeleitet. Dabei werden die "Amplify-and forward" und "Decode-and-forward" Relaying-Protokolle, sowie unterschiedliche Mehrantennen-Konfigurationen, wie "Single input single output" (SISO), "Single input multiple output" (SIMO) und MIMO betrachtet. Diese Ausdrücke zeigen die Bedeutung der Reduzierung der Hop-Anzahl in Mehr-Hop-Systemen, um eine höhere Leistung zu erzielen. Zudem werden die Auswirkungen verschiedener Antennen-Konfigurationen und Sendeleistungen auf die Anzahl der Hops analysiert.  Weiterhin wird der Einfluss von Synchronisationsfehlern auf das kooperative MIMO-Verfahren herausgestellt und daraus eine untere Grenze für das Signal-zu-Interferenz-und-Rausch-Verhältnis, sowie ein Ausdruck für die Bitfehlerrate bei hohem Signal-Rausch-Verhältnis entwickelt. Diese Zusammenhänge sollen Netzwerk-Designern helfen die Qualität des Services auch in den Worst-Case-Szenarien sicherzustellen. Im zweiten Teil der Arbeit werden einige innovative Algorithmen vorgestellt, die die Einrichtung und die Funktionsweise von Cluster-basierten Ad-hoc-Netzwerken, die kooperative Relays verwenden, erleichtern und verbessern. Darunter befinden sich ein Clustering-Algorithmus, der den Batteriestatus der Knoten berücksichtigt, um eine längere Lebensdauer des Netzwerks zu gewährleisten und ein Routing-Mechanismus, der auf den Einsatz in kooperativen MIMO Mehr-Hop-Systemen zugeschnitten ist. Die Vorteile beider Algorithmen werden durch Simulationen veranschaulicht. Eine Methode, die Daten in Ad-hoc-Netzwerken mit verteilten Hash-Tabellen behandelt wird ebenfalls vorgestellt. Darüber hinaus wird auch ein Sicherheitsmechanismus für die physikalische Schicht in Multi-Hop-Systemen und kooperativen MIMO-Systemen präsentiert. Eine Analyse zeigt, dass das kooperative MIMO-Verfahren deutliche Vorteile gegenüber dem konventionellen MIMO-Verfahren hinsichtlich der informationstheoretischen Grenzen der Sicherheit auf der physikalischen Schicht aufweist