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

Relay Selection for Bidirectional AF Relay Network with Outdated CSI

Most previous researches on bidirectional relay selection (RS) typically assume perfect channel state information (CSI). However, outdated CSI, caused by the the time-variation of channel, cannot be ignored in the practical system, and it will deteriorate the performance. In this paper, the effect of outdated CSI on the performance of bidirectional amplify-and-forward RS is investigated. The optimal single RS scheme in minimizing the symbol error rate (SER) is revised by incorporating the outdated channels. The analytical expressions of end-to-end signal to noise ratio (SNR) and symbol error rate (SER) are derived in a closed-form, along with the asymptotic SER expression in high SNR. All the analytical expressions are verified by the Monte-Carlo simulations. The analytical and the simulation results reveal that once CSI is outdated, the diversity order degrades to one from full diversity. Furthermore, a multiple RS scheme is proposed and verified that this scheme is a feasible solution to compensate the diversity loss caused by outdated CSI.Comment: accepted by IEEE Transactions on Vehicular Technolog

Analysis of Outage Probability and Throughput for Half-Duplex Hybrid-ARQ Relay Channels

International audienceWe consider a half-duplex wireless relay network with hybrid-automatic retransmission request (HARQ) and Rayleigh fading channels. In this paper, we analyze the average throughput and outage probability of the multirelay delay-limited (DL) HARQ system with an opportunistic relaying scheme in decode-and-forward (DF) mode, in which the best relay is selected to transmit the source's regenerated signal. A simple and distributed relay selection strategy is considered for multirelay HARQ channels. Then, we utilize the nonorthogonal cooperative transmission between the source and selected relay for retransmission of source data toward the destination, if needed, using space-time codes. We analyze the performance of the system. We first derive the cumulative density function (cdf) and probability density function (pdf) of the selected relay HARQ channels. Then, the cdf and pdf are used to determine the exact outage probability in the lth round of HARQ. The outage probability is required to compute the throughput-delay performance of this half-dublex opportunistic relaying protocol. The packet delay constraint is represented by L, which is maximum number of HARQ rounds. Furthermore, simple closed-form upper bounds on outage probability are derived. Based on the derived upper bound expressions, it is shown that the proposed schemes achieve the full spatial diversity order of N+1, where N is the number of potential relays. In addition, simulation shows that our proposed scheme can achieve higher average throughput, compared with direct transmission and conventional tho-phase relay networks