Towards 6G-Enabled Internet of Things with IRS-Empowered Backscatter-Assisted WPCNs

Wireless powered communication networks (WPCNs) are expected to play a key role in the forthcoming 6G systems. However, they have not yet found their way to large-scale practical implementations due to their inherent shortcomings such as the low efficiency of energy transfer and information transmission. In this thesis, we aim to study the integration of WPCNs with other novel technologies of backscatter communication and intelligent reflecting surface (IRS) to enhance the performance and improve the efficiency of these networks so as to prepare them for being seamlessly fitted into the 6G ecosystem. We first study the incorporation of backscatter communication into conventional WPCNs and investigate the performance of backscatter-assisted WPCNs (BS-WPCNs). We then study the inclusion of IRS into the WPCN environment, where an IRS is used for improving the performance of energy transfer and information transmission in WPCNs. After that, the simultaneous integration of backscatter communication and IRS technologies into WPCNs is investigated, where the analyses show the significant performance gains that can be achieved by this integration

Outage performance analysis of cell-center/edge users under two policies of energy harvesting

In this paper, two energy harvesting policies deploying in cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA) systems are considered. After period of wireless power transfer, the NOMA users including cell-edge and cell-center users simultaneously transmit the superposition coded symbols to the base station (BS). In the last time slot, the BS decodes to achieve its signal based on superposition coded symbol with corresponding power allocation factors. This paper provides exact expressions of outage probability in two schemes. Performance gap of two NOMA users can be raised by providing different power allocation factors. It is confirmed by numerical result. Distance and data rate are main factors affecting outage performance. Scheme I exhibit scenario where power beacon transmits energy signal to NOMA user while the BS feeds energy to NOMA user in Scheme II. It is shown that outage performance of Scheme I is better than that of Scheme II.Web of Science254807

Best sum-throughput evaluation of cooperative downlink transmission nonorthogonal multiple access system

In cooperative simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) nonorthogonal multiple access (NOMA) downlink situations, the current research investigates the total throughput of users in center and edge of cell. We focus on creating ways to solve these problems because the fair transmission rate of users located in cell edge and outage performance are significant hurdles at NOMA schemes. To enhance the functionality of cell-edge users, we examine a two-user NOMA scheme whereby the cell-center user functions as a SWIPT relay using power splitting (PS) with a multiple-input single-output. We calculated the probability of an outage for both center and edge cell users, using closed-form approximation formulas and evaluate the system efficacy. The usability of cell edge users is maximized by downlink transmission NOMA (CDT-NOMA) employing a SWIPT relay that employs PS. The suggested approach calculates the ideal value of the PS coefficient to optimize the sum throughput. Compared to the noncooperative and single-input single-output NOMA systems, the best SWIPT-NOMA system provides the cell-edge user with a significant throughput gain. Applying SWIPT-based relaying transmission has no impact on the framework’s overall throughput

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

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

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