Hybrid satellite–terrestrial networks toward 6G : key technologies and open issues

Future wireless networks will be required to provide more wireless services at higher data rates and with global coverage. However, existing homogeneous wireless networks, such as cellular and satellite networks, may not be able to meet such requirements individually, especially in remote terrain, including seas and mountains. One possible solution is to use diversified wireless networks that can exploit the inter-connectivity between satellites, aerial base stations (BSs), and terrestrial BSs over inter-connected space, ground, and aerial networks. Hence, enabling wireless communication in one integrated network has attracted both the industry and the research fraternities. In this work, we provide a comprehensive survey of the most recent work on hybrid satellite–terrestrial networks (HSTNs), focusing on system architecture, performance analysis, design optimization, and secure communication schemes for different cooperative and cognitive HSTN network architectures. Different key technologies are compared. Based on this comparison, several open issues for future research are discussed

Relaying in the Internet of Things (IoT): A Survey

The deployment of relays between Internet of Things (IoT) end devices and gateways can improve link quality. In cellular-based IoT, relays have the potential to reduce base station overload. The energy expended in single-hop long-range communication can be reduced if relays listen to transmissions of end devices and forward these observations to gateways. However, incorporating relays into IoT networks faces some challenges. IoT end devices are designed primarily for uplink communication of small-sized observations toward the network; hence, opportunistically using end devices as relays needs a redesign of both the medium access control (MAC) layer protocol of such end devices and possible addition of new communication interfaces. Additionally, the wake-up time of IoT end devices needs to be synchronized with that of the relays. For cellular-based IoT, the possibility of using infrastructure relays exists, and noncellular IoT networks can leverage the presence of mobile devices for relaying, for example, in remote healthcare. However, the latter presents problems of incentivizing relay participation and managing the mobility of relays. Furthermore, although relays can increase the lifetime of IoT networks, deploying relays implies the need for additional batteries to power them. This can erode the energy efficiency gain that relays offer. Therefore, designing relay-assisted IoT networks that provide acceptable trade-offs is key, and this goes beyond adding an extra transmit RF chain to a relay-enabled IoT end device. There has been increasing research interest in IoT relaying, as demonstrated in the available literature. Works that consider these issues are surveyed in this paper to provide insight into the state of the art, provide design insights for network designers and motivate future research directions

Energy Harvesting Enabled Relaying network: Design System and Performance Analysis

The thesis deals with the design of new protocols and the analysis of wireless-powered communications networks’ performance. In order to bring the contribution to the science in field of my topic, this thesis starts with the study of wireless power supply policies, namely the separated power (SP) and harvested power (HP) techniques at the relay node in the full-duplex (FD) decode-and-forward (DF) relaying networks (RNs). In the second emphasis, the thesis deals with the factors degrading the system performance, i.e., channel state information (CSI) and hardware impairments (HWIs) using Hybrid time switching-based and power splitting-based relaying (HTPSR) protocol. Besides that, an optimization problem regarding time switching (TS) and power splitting (PS) ratios are solved in this thesis, where a genetic algorithm was used. In the third emphasis of this thesis, a two-way simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) network is considered to be an important technique, in which two new proposed protocols, namely power time splitting-based two-slot (PTSTW) and power time splitting-based three-slot (PTSTH) are deployed and compared with each other. The throughput performance is analyzed for both developed protocols. The following emphasis is the study of relay selection (RS) schemes. The three optimal RS schemes are proposed to examine the system performance, namely: * Half-duplex (HD) deploying maximal ratio combine (HDMRC), * FD deploying joint decoding (FDJD), * and hybrid FD/HD relaying transmission scheme (HTS). All of them operate in two optimal power supply policies - optimal power under the individual power constraints (OPIPC) and optimal power with energy harvesting ability (OPEHA). The simulation results show that the HTS outperforms HDMRC and FDJD, and OPEHA is better than OPIPC. Finally, Optimal time for transmitting power at source (OTPS) and Optimal time for transmitting power at relay (OTPR) are proposed to optimize the transmit power in a cognitive relaying network (CRN). For performance analysis, the outage probability, the rate-energy trade-off and the average energy efficiency are studied to enhance the successful data transmission.Tato dizertační práce se věnuje návrhu nových protokolů pro bezdrátově napájené komunikační sítě, jejichž efektivita je následně podrobena analýze. V této práci jsou probrány přístupy k bezdrátovému napájení komunikačních zařízení, a sice SP (Separated Power) a HP (Harvested Power), kdy energie je získána z okolí. Tyto techniky jsou zkoumány z pohledu tzv. relay uzlu R (Relay node) v plně duplexních sítích RN (Relaying Networks) pracujících v režimu DF (Decode-and-Forward). Mimoto, jsou v práci rozebrány i faktory snižující výkonnost a efektivitu bezdrátově napájených komunikačních systémů využívajících navržený hybridní protokol HTPSR (Hybrid Time Switching-based and Power Splitting-based Relaying). Pro tyto účely je využita zejména informace o stavu kanálu CSI (Channel State Information), přičemž detekovány a vyhodnoceny jsou i vlivy jednotlivých zařízení HWIs (Hardware Impairments). Pro zmíněný protokol HTPSR je v práci taktéž řešen problém optimalizace poměru mezi intervaly časového přepínání TS (Time Switching) a děleného napájení PS (Power Splitting), kde byl využit genetický algoritmus. Další oblastí, která je v této práci zkoumána, je síť umožňující současný přenos informací i energie pro napájení, pro niž byly v rámci této práce navrženy, nasazeny a vyhodnoceny dva protokoly, a to PTSTW (Power Time Splitting-based Two-slot) a PTSTH (Power Time Splitting-based Three-slot). Následně jsou v dizertaci zkoumány tři navržená schémata, ve kterých může být provozován uzel R a je provedena jejich výkonnostní analýza, konkrétně jde o režim: * poloduplexní využívající techniku kombinování maximálních poměrů HDMRC (Half-duplex Deploying Maximal Ratio Combine), * plně duplexní využívající sdružené dekódování FDJD (Full-duplex Deploying Joint Decoding), * a hybridní kombinující oba výše zmíněné způsoby v režimu HTS (Hybrid Transmission Scheme). Všechna tato tři schémata jsou provozována v optimalizovaných režimech provozu, přičemž v práci jsou rozebrány dva – optimální napájení s individuálními limity OPIPC (Optimal Power Under the Individual Power Constraints) a optimální napájení s možností využití získávání energie OPEHA (Optimal Power with Energy Harvesting Ability). Z následných simulací pak bylo zjištěno, že HTS svou efektivitou předčí jak HDMRC, tak FDJD a že režim OPEHA je výhodnější než režim OPIPC. Posledním přínosem této práce jsou dva navržené způsoby určení časových poměrů OTPS (Optimal Time for transmitting Power at Source) a OTPR (Optimal Time for transmitting Power at Relay) s cílem optimalizovat přenos energie v CR (Cognitive Relaying) sítích. Rovněž byly pečlivě zkoumány výkonnostní parametry jako pravděpodobnost výpadku, poměr mezi přenosovou rychlostí systému a dodanou energií a průměrná efektivita systému při přenosu energie, a to za účelem zlepšení vlastností datových přenosů.440 - Katedra telekomunikační technikyvyhově