Non-Orthogonal Multiple Access schemes for Next Generation Cellular Networks: System Model and Performance Consideration

The dissertation deals with next generation cellular networks, especially in regard to the integration of wireless networks which apply non-orthogonal multiple access (NOMA) and other advanced techniques such as multi-antennae, radio frequency energy harvesting (EH), physical layer security (PLS) and satellite communication. Firstly, the dissertation investigates a multi-antenna transmission model to enhance the performance of communications. A novel model of power distribution to NOMA users, who joined both direct link and relay link, is designed to improve transmission quality. Further, we deploy the power beacon, which is able to feed energy to power-constraint relay node to further support transmission to destinations. Secondly, the dissertation studies the secrecy performance of a PLS in cognitive radio (CR)-NOMA networks. The multi-input single-output (MISO) architecture combining transmit antenna selection (TAS) strategy is considered to achieve secure performance analysis such as the secrecy outage probability (SOP). Further, optimal power allocation (PA) factor can be obtained to optimize SOP performance. Since the presence of an illegitimate user, we improve the SOP by adopting relay selection (RS) combining decode-and-forward (DF) with full-duplex (FD)relaying. Finally, as the strongest contribution of the dissertation, an application of the NOMA technique, which improves the spectral efficiency, in satellite networks is introduced. Satellite communication systems integrate with emerging small-cell networks to provide seamless connectivity and high-speed broadband access for mobile users in future wireless networks. In the dissertation, we study a hybrid satellite-terrestrial relay system (HSTRS). To characterizing the HSTRS-assisted small-cell network, Shadowed-Rician fading for satellite links and Nakagami-m fading for terrestrial links are adopted.Disertační práce se zabývá buňkovými sítěmi příští generace, zejména s ohledem na integraci bezdrátových sítí, které používají neortogonální vícenásobný přístup (NOMA) a další pokročilé techniky, jako jsou víceanténové systémy, získávání energie z elektromagnetického záření (EH), zabezpečení fyzické vrstvy (PLS) a satelitní komunikace. Disertační práce nejprve zkoumá model komunikace s více anténami s cílem dosáhnout vyšší efektivity přenosu. Nový model distribuce energie uživatelům NOMA, kteří se připojili přímým spojem anebo zprostředkovaně (přes realy uzel), je navržen tak, aby zlepšil kvalitu přenosu. Dále je v modelu navržen výkonový maják, který je schopen dodávat energii do relay uzlu, aby podpořil přenos k příjemcům. Za druhé, disertační práce studuje výkonnost PLS v sítích kognitivního rádia (CR)-NOMA. V návrhu je uvažována architektura více vstupů s jedním výstupem (MISO) kombinující strategii výběru vysílací antény (TAS), přičemž úroveň zabezpečení je zkoumána metrikou pravděpodobnosti výpadku utajení (SOP). Dále lze pro optimalizaci výkonu SOP získat faktor optimálního přidělování energie (PA). Vzhledem k předpokládané přítomnosti nelegitimního uživatele vylepšujeme SOP pomocí výběru relay uzlu (RS) kombinující režimy dekóduj a přepošli (DF) s plně duplexním (FD) přenosem. A konečně, jako nejsilnější přínos disertační práce, je představena aplikace techniky vícenásobného přístupu NOMA v satelitních sítích, která vylepšuje spektrální účinnost. Satelitní komunikační systémy se integrují s nově vznikajícími buňkovými sítěmi malého dosahu. Zajišťují bezproblémové připojení a vysokorychlostní širokopásmový přístup pro mobilní uživatele v budoucích bezdrátových sítích. V disertační práci studujeme hybridní satelitně-terestrický relay systém (HSTRS). K popisu sítě malých buněk s asistencí HSTRS je v případě satelitní komunikace použit útlumový model "Shadowed-Rician" a v případě terestrické pak "Nakagami-m."440 - Katedra telekomunikační technikyvyhově

New Approaches Using Cognitive Radio in Green Networking

The green networks are energy-efficient network architectures and we consider them as the basis of the wireless communication optimizing energy usage. Indeed, future communication technologies are moving in this direction, meaning that they will be less energy-intensive and, in some cases, even energy self-sufficient. Specifically, cognitive radio (CR) networks, cooperative relay networks, and non-orthogonal multiple access (NOMA) techniques have been considered as effective means to facilitate energy harvesting (EH) and a power spectrum allocation for the minimization of total transmit power, hence, making the wireless communication greener. The dissertation consists of three research sections corresponding to the aims. The first aim deals with an radio frequency (RF) wireless energy transfer model for D2D systems. In order to harvest more energy, a multiple-antenna base station and a power beacon are adopted for the D2D transmission network. We derive expressions outage probability in closed-forms. Further, independent simulations are used to validate the exactness of the theoretical expressions. In the second aim, new cooperative system models are proposed and studied. To reach the second aim, the secondary source acts as a relay and employs Amplify and Forward (AF) mode to serve distant NOMA users under a given interference constraint. To provide a detailed examination of the system performance metrics, we derived closed-form formulas for the outage probability and average throughput of the multi-users in the presence of interference constraints. In the last aim of the dissertation, we designed a new system model for a hybrid satellite-terrestrial cognitive network (HSTCN) relying on NOMA interconnecting a satellite and multiple terrestrial nodes. Reliability and security of transmission were studied to minimize the total transmit power. To reach the third aim, we examined the following performance factors: outage probability, hardware impairment, intercept probability, and average throughput. The novel closed-forms expressions of these performance factors are derived. The last but not at least, we simulated the new HSTCN system model. The achieved results figured that the new proposed approaches make it possible to take into account service quality requirements and are applicable in future green networking.Zelené sítě jsou energeticky efektivní síťové architektury a považujeme je za základ bezdrátové komunikace optimalizující spotřebu energie. Tímto směrem se ubírají budoucí komunikační technologie, což znamená, že budou méně energeticky náročné a v některých případech dokonce energeticky soběstačné. Kognitivní rádiové (CR) sítě, kooperativní relay sítě a neortogonální vícenásobné přístupové (NOMA) techniky jsou považovány za účinný prostředek k usnadnění získávání energie (EH) a přidělování výkonového spektra pro minimalizaci celkového vysílacího výkonu, díky čemuž je bezdrátová komunikace zelenější. Disertační práce se skládá ze tří výzkumných částí odpovídajících cílům. První cíl se zabývá modelem bezdrátového přenosu radiofrekvenční (RF) energie pro systémy D2D. Aby bylo možné získat více energie, jsou pro přenosovou D2D síť použity základnové stanice s více anténami a napájecím radiomajákem. Pro navržený model jsou odvozeny pravděpodobnosti výpadků, kdy tyto výrazy jsou v uzavřené formě. Dále jsou k ověření platnosti získaných teoretických výrazů použity nezávislé simulace. Ve druhém cíli jsou navrženy a zkoumány nové modely kooperativního systému. Aby bylo dosaženo druhého cíle, sekundární zdroj funguje jako relay uzel a využívá režim AF (Amplify and Forward), který slouží vzdáleným NOMA uživatelům za specifických interferenčních podmínek. Abychom poskytli podrobné zhodnocení výkonnostních metrik systému, odvodili jsme vztahy v uzavřené formě pro pravděpodobnost výpadků a průměrnou propustnost více uživatelů za přítomnosti interferenčních omezení. V posledním cíli disertační práce jsme navrhli nový systémový model pro hybridní satelitně-terestrickou kognitivní síť (HSTCN) založenou na neortogonálním vícenásobném přístupu (NOMA) propojující satelit a více terestrických uzlů. Zkoumána byla spolehlivost a zabezpečení přenosu s důrazem na minimalizaci celkového vysílacího výkonu. Pro dosažení třetího cíle jsme zkoumali následující výkonnostní faktory: pravděpodobnost výpadku, poškození hardwaru, pravděpodobnost zachycení a průměrnou propustnost. Pro tyto výkonnostní faktory jsou odvozeny v uzavřených formách nové výrazy. V neposlední řadě jsme rovněž simulovali nový systémový HSTCN model. Dosažené výsledky potvrdily, že nově navržené přístupy umožňují zohledňovat požadavky na kvalitu služeb a jsou použitelné v budoucích zelených sítích.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