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

Komunikace na milimetrových vlnách v 5G a dalších sítích: Nové systémové modely a analýza výkonnosti

The dissertation investigates different network models, focusing on three important features for next generation cellular networks with respect to millimeter waves (mmWave) communications: the impact of fading and co-channel interference (CCI), energy efficiency, and spectrum efficiency. To address the first aim, the dissertation contains a study of a non-orthogonal multiple access (NOMA) technique in a multi-hop relay network which uses relays that harvest energy from power beacons (PB). This part derives the exact throughput expressions for NOMA and provides a performance analysis of three different NOMA schemes to determine the optimal parameters for the proposed system’s throughput. A self-learning clustering protocol (SLCP) in which a node learns its neighbor’s information is also proposed for determining the node density and the residual energy used to cluster head (CH) selection and improve energy efficiency, thereby prolonging sensor network lifetime and gaining higher throughput. Second, NOMA provides many opportunities for massive connectivity at lower latencies, but it may also cause co-channel interference by reusing frequencies. CCI and fading play a major role in deciding the quality of the received signal. The dissertation takes into account the presence of η and µ fading channels in a network using NOMA. The closed-form expressions of outage probability (OP) and throughput were derived with perfect successive interference cancellation (SIC) and imperfect SIC. The dissertation also addresses the integration of NOMA into a satellite communications network and evaluates its system performance under the effects of imperfect channel state information (CSI) and CCI. Finally, the dissertation presents a new model for a NOMA-based hybrid satellite-terrestrial relay network (HSTRN) using mmWave communications. The satellite deploys the NOMA scheme, whereas the ground relays are equipped with multiple antennas and employ the amplify and forward (AF) protocol. The rain attenuation coefficient is considered as the fading factor of the mmWave band to choose the best relay, and the widely applied hybrid shadowed-Rician and Nakagami-m channels characterize the transmission environment of HSTRN. The closed-form formulas for OP and ergodic capacity (EC) were derived to evaluate the system performance of the proposed model and then verified with Monte Carlo simulations.Dizertační práce zkoumala různé modely sítí a zaměřila se na tři důležité vlastnosti pro buňkové sítě příští generace s ohledem na mmW komunikace, kterými jsou: vliv útlumu a mezikanálového rušení (CCI), energetická účinnost a účinnost spektra. Co se týče prvního cíle, dizertace obsahuje studii techniky neortogonálního vícenásobného přístupu (NOMA) v bezdrátové multiskokové relay síti využívající získávání energie, kde relay uzly sbírají energii z energetických majáků (PB). Tato část přináší přesné výrazy propustnosti pro NOMA a analýzu výkonnosti se třemi různými schématy NOMA s cílem určit optimální parametry pro propustnost navrženého systému. Dále byl navržen samoučící se shlukovací protokol (SLCP), ve kterém se uzel učí informace o sousedech, aby určil hustotu uzlů a zbytkovou energii použitou k výběru hlavy shluku CH pro zlepšení energetické účinnosti, čímž může prodloužit životnost sensorové sítě a zvýšit propustnost. Za druhé, přístup NOMA poskytl mnoho příležitostí pro masivní připojení s nižší latencí, NOMA však může způsobovat mezikanálové rušení v důsledku opětovného využívání kmitočtů. CCI a útlum hrají klíčovou roli při rozhodování o kvalitě přijímaného signálu. V této dizertace je brána v úvahu přítomnost η a µ útlumových kanálů v síti užívající NOMA. Odvozeny jsou výrazy v uzavřené formě pro pravděpodobnost výpadku (OP) a propustnost s dokonalým postupným rušením rušení (SIC) a nedokonalým SIC. Dále se dizertace zabývá integrací přístupu NOMA do satelitní komunikační sítě a vyhodnocuje výkonnost systému při dopadech nedokonalé informace o stavu kanálu (CSI) a CCI. Závěrem disertační práce představuje nový model pro hybridní družicově-terestriální přenosovou síť (HSTRN) založenou na NOMA vícenásobném přístupu využívající mmWave komunikaci. Satelit využívá NOMA schéma, zatímco pozemní relay uzly jsou vybaveny více anténami a aplikují protokol zesilování a předávání (AF). Je zaveden srážkový koeficient, který je uvažován jako útlumový faktor mmWave pásma při výběru nejlepšího relay uzlu. Samotné přenosové prostředí HSTRN je charakterizováno pomocí hybridních Rician a Nakagami-m kanálů. Vztahy pro vyhodnocení výkonnosti systému navrženého modelu vyjadřující ergodickou kapacitu (EC) a pravděpodobnost ztrát (OP) byly odvozeny v uzavřené formě a následně ověřeny pomocí simulační numerické metody Monte Carlo.440 - Katedra telekomunikační technikyvyhově

Secure Analysis of Multi-Antenna Cooperative Networks with Residual Transceiver HIs and CEEs

In this paper, we investigate the secure performance of multi-antenna decode-and-forward (DF) relaying networks where the Nakagami-m fading channel is taken into account. In practice, the joint impact of residual transceiver hardware impairments (HIs) and channel estimation errors (CEEs) on the outage probability and intercept probability is taken into account. Considering HIs and CEEs, an optimal transmit antenna selection (OTAS) scheme is proposed to enhance the secure performance and then a collaborative eavesdropping scheme is proposed. Additionally, we present main channel capacity and intercept capacity of the multi-antenna DF relaying networks. More specifically, we derive exact closed-form expressions for the outage and intercept probabilities. To obtain useful insights into implications of parameters on the secure performance, the asymptotic behaviors for the outage probability are examined in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime and the diversity orders are obtained and discussed. Simulation results confirm the analytical derivations and demonstrate that: 1) As the power distribution coefficient increases, OP decreases, while IP increases; 2) There exist error floors for the outage probability at high SNRs, which is determined by CEEs; 3) The secure performance can be improved by increasing the number of source antennas and artificial noise quantization coefficient, while as the number of eavesdropping increases, the security performance of the system is reduced; 4) There is a trade-off between the outage probability and intercept probability

Performance enhancement for full-duplex relaying with time-switching-based SWIPT in wireless sensors networks

Full-duplex (FD) with simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in wireless ad hoc networks has received increased attention as a technology for improving spectrum and energy efficiency. This paper studies the outage performance for a SWIPT-based decode-and-forward (DF) FD relaying network consisting of a single-antenna source S, a two-antenna relay R, and a multi-antenna destination D. Specifically, we propose four protocols, namely static time-switching factor with selection combining (STSF-SC), static time-switching factor with maximal ratio combining (STSF-MRC), optimal dynamic time-switching factor with selection combining (ODTSF-SC), and optimal dynamic time-switching factor with maximal ratio combining (ODTSF-MRC) to fully investigate the outage performance of the proposed system. In particular, the optimal time-switching factor from the ODTSF-SC and ODTSF-MRC methods is designed to maximize the total received data at the destination. In this context, we derive exact closed-formed expressions for all schemes in terms of the outage probability (OP). Finally, the Monte Carlo simulations are conducted to corroborate the theoretical analysis's correctness and the proposed schemes' effectiveness.Web of Science2111art. no. 384

Analysis of Selective-Decode and Forward Relaying Protocol over κ-µ Fading Channel Distribution, Journal of Telecommunications and Information Technology, 2020, nr 1

In this work, the performance of selective-decode and forward (S-DF) relay systems over κ-µ fading channel conditions is examined in terms of probability density function (PDF), system model and cumulative distribution function (CDF) of the κ-µ distributed envelope, signal-to-noise ratio and the techniques used to generate samples that rely on κ-µ distribution. Specifically, we consider a case where the sourceto-relay, relay-to-destination and source-to-destination link is subject to independent and identically distributed κ-µ fading. From the simulation results, the enhancement in the symbol error rate (SER) with a stronger line of sight (LOS) component is observed. This shows that S-DF relaying systems may perform well even in non-fading or LOS conditions. Monte Carlo simulations are conducted for various fading parameter values and the outcomes turn out to be a close match for theoretical results, which validates the derivations mad

A unified performance analysis of cooperative NOMA with practical constraints: hardware impairment, imperfect SIC and CSI

Non-orthogonal multiple access (NOMA) has been a strong candidate to support massive connectivity in future wireless networks. In this regard, its implementation into cooperative relaying, named cooperative-NOMA (CNOMA), has received tremendous attention from researchers. However, most of the existing CNOMA studies have failed to address practical constraints since they assume ideal conditions. Particularly, the error performance of CNOMA schemes with imperfections has not been investigated yet. In this paper, we provide an analytical framework for error and outage performance of CNOMA schemes under practical assumptions where we take into account imperfect successive interference canceler (ipSIC), imperfect channel state information (ipCSI), and hardware impairments (HWI) at the transceivers. We derive analytical expressions of bit error rate (BER) expressions in CNOMA schemes whether the direct links between source and users exist or not which is, to the best of the authors' knowledge, the first study in the open literature. We also derive the outage probability (OP) expressions for CNOMA schemes with and without direct links under practical assumptions. For comparisons, we provide BER and OP expressions for downlink NOMA with practical constraints which also have not been given in the literature, yet. The theoretical BER and OP expressions are validated with computer simulations where the perfect match is observed. Finally, we discuss the effects of the system parameters (e.g., power allocation, HWI level, ipCSI factor) on the performance of CNOMA schemes to reveal fruitful insights for society. The results demonstrate that the HWI, ipCSI and ipSIC have a significant effect on the performance of the systems