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

Fundamental Limits of Spectrum Sharing for NOMA-based Cooperative Relaying

Non-orthogonal multiple access (NOMA) and spectrum sharing (SS) are two emerging multiple access technologies for efficient spectrum utilization in the fifth-generation (5G) wireless communications standard. In this paper, we present a closed-form analysis of the average achievable sum-rate and outage probability for a NOMA-based cooperative relaying system (CRS) in an underlay spectrum sharing scenario. We consider a peak interference constraint, where the interference inflicted by the secondary (unlicensed) network on the primary-user (licensed) receiver (PU-Rx) should be less than a predetermined threshold. We show that the CRS-NOMA outperforms the CRS with conventional orthogonal multiple access (OMA) for large values of peak interference power at the PU-Rx.Comment: 3 figures, Accepted for presentation in GLOBECOM-NOMAT5G workshop, Abu Dhabi, 201

Secrecy outage probability of a NOMA scheme and impact imperfect channel state information in underlay cooperative cognitive networks

Security performance and the impact of imperfect channel state information (CSI) in underlay cooperative cognitive networks (UCCN) is investigated in this paper. In the proposed scheme, relay R uses non-orthogonal multiple access (NOMA) technology to transfer messages e1, e2 from the source node S to User 1 (U-1) and User 2 (U-2), respectively. An eavesdropper (E) is also proposed to wiretap the messages of U-1 and U-2. The transmission's security performance in the proposed system was analyzed and performed over Rayleigh fading channels. Through numerical analysis, the results showed that the proposed system's secrecy performance became more efficient when the eavesdropper node E was farther away from the source node S and the intermediate cooperative relay R. The secrecy performance of U-1 was also compared to the secrecy performance of U-2. Finally, the simulation results matched the Monte Carlo simulations well.Web of Science203art. no. 89

Outage Performance Analysis of Underlay Cognitive Radio Networks with Decode‐and‐Forward Relaying

In this chapter, we evaluate the outage performance of decode‐and‐forward relaying in cognitive radio networks over Rayleigh fading channels, subject to the relay location for a secondary user. In particular, we obtain the optimal relay location in wireless communications systems for the cognitive radio networks, using differential evolution optimization algorithm. Then, we investigate the optimal transmission rate of the secondary user. We present the numerical results to validate the proposed theoretical analysis and to show the effects of the Rayleigh fading channel parameters for the whole system performance