Opportunistic Relaying in Wireless Networks

Relay networks having $n$ source-to-destination pairs and $m$ half-duplex relays, all operating in the same frequency band in the presence of block fading, are analyzed. This setup has attracted significant attention and several relaying protocols have been reported in the literature. However, most of the proposed solutions require either centrally coordinated scheduling or detailed channel state information (CSI) at the transmitter side. Here, an opportunistic relaying scheme is proposed, which alleviates these limitations. The scheme entails a two-hop communication protocol, in which sources communicate with destinations only through half-duplex relays. The key idea is to schedule at each hop only a subset of nodes that can benefit from \emph{multiuser diversity}. To select the source and destination nodes for each hop, it requires only CSI at receivers (relays for the first hop, and destination nodes for the second hop) and an integer-value CSI feedback to the transmitters. For the case when $n$ is large and $m$ is fixed, it is shown that the proposed scheme achieves a system throughput of $m/2$ bits/s/Hz. In contrast, the information-theoretic upper bound of $(m/2)\log \log n$ bits/s/Hz is achievable only with more demanding CSI assumptions and cooperation between the relays. Furthermore, it is shown that, under the condition that the product of block duration and system bandwidth scales faster than $\log n$, the achievable throughput of the proposed scheme scales as $\Theta ({\log n})$. Notably, this is proven to be the optimal throughput scaling even if centralized scheduling is allowed, thus proving the optimality of the proposed scheme in the scaling law sense.Comment: 17 pages, 8 figures, To appear in 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

Distributed MAC Protocol Supporting Physical-Layer Network Coding

Physical-layer network coding (PNC) is a promising approach for wireless networks. It allows nodes to transmit simultaneously. Due to the difficulties of scheduling simultaneous transmissions, existing works on PNC are based on simplified medium access control (MAC) protocols, which are not applicable to general multi-hop wireless networks, to the best of our knowledge. In this paper, we propose a distributed MAC protocol that supports PNC in multi-hop wireless networks. The proposed MAC protocol is based on the carrier sense multiple access (CSMA) strategy and can be regarded as an extension to the IEEE 802.11 MAC protocol. In the proposed protocol, each node collects information on the queue status of its neighboring nodes. When a node finds that there is an opportunity for some of its neighbors to perform PNC, it notifies its corresponding neighboring nodes and initiates the process of packet exchange using PNC, with the node itself as a relay. During the packet exchange process, the relay also works as a coordinator which coordinates the transmission of source nodes. Meanwhile, the proposed protocol is compatible with conventional network coding and conventional transmission schemes. Simulation results show that the proposed protocol is advantageous in various scenarios of wireless applications.Comment: Final versio