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

A Study Of Cooperative Spectrum Sharing Schemes For Internet Of Things Systems

The Internet of Things (IoT) has gained much attention in recent years with the massive increase in the number of connected devices. Cognitive Machine-to-Machine (CM2M) communications is a hot research topic in which a cognitive dimension allows M2M networks to overcome the challenges of spectrum scarcity, interference, and green requirements. In this paper, we propose a Generalized Cooperative Spectrum Sharing (GCSS) scheme for M2M communication. Cooperation extends the coverage of wireless networks as well as increasing their throughput while reducing the energy consumption of the connected low power devices. We study the outage performance of the proposed GCSS scheme for M2M system and derive exact expressions for the outage probability. We also analyze the effect of varying transmission powers on the performance of the system

Adaptive Relay-Selection In Decode-And-Forward Cooperative Systems

In the past few years adaptive decode-and-forward cooperative diversity systems have been studied intensively in literature. Many schemes and protocols have been proposed to enhance the performance of the cooperative systems while trying to alleviate its drawbacks. One of the recent schemes that had been shown to give high improvements in performance is the best-relay selection scheme. In the best-relay selection scheme only one relaying nodes among the relays available in the system is selected to forward the source\u27s message to the destination. The best relay is selected as the relay node that can achieve the highest end-to-end signal-to-noise ratio (snr) at the destination node. Performance improvements have been reported as compared to regular fixed decode-and-forward relaying in which all relays are required to forward the source\u27s message to the destination in terms of spectral efficiency and diversity order. In this thesis, we use simulations to show the improvement in the outage performance of the best-relay selection scheme

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