Performance of Relaying Protocols

In wireless systems, cooperative diversity and relaying can exploit the benefit of spatial diversity and combat heavy pathloss without requiring multiple antennas at the receivers and transmitters. For practical networks, the use of relays is motivated by the need for simple, inexpensive terminals with limited power and a single antenna. The motivation for this thesis is to study and propose practical relaying protocols that can reduce the power consumption and ameliorate the performance with minimum additional complexity. Based on a dual-hop communication model, we exploit two upper bounds for the end-to-end SNR. These bounds further inspire us to propose new relaying protocols for wireless communication systems. We examine the case of a single user and relay under Rayleigh and Nakagami-m fading conditions. Based on the general upper bound, a new protocol is introduced: Clipped gain. This protocol makes it possible to save the transmit power by stopping the transmission when the quality of the first hop leads to an outage. We consider also user selection and user scheduling for dual-hop communication with multiple users and relays over a Rayleigh fading channel. We introduce new scheduling protocols based on one-bit feedback information. To the best of our knowledge, most of the available literature uses full channel state information to perform user selection and user scheduling. Interestingly, our protocols based on one bit feedback greatly improve the system performance while adding less additional complexity. To carry out rigorous comparison, close-form expressions are derived and analytical results used to assess the outage probability performance

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

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

Komunikace na milimetrových vlnách v 5G a dalších sítích: Nové systémové modely a analýza výkonnosti

The dissertation investigates different network models, focusing on three important features for next generation cellular networks with respect to millimeter waves (mmWave) communications: the impact of fading and co-channel interference (CCI), energy efficiency, and spectrum efficiency. To address the first aim, the dissertation contains a study of a non-orthogonal multiple access (NOMA) technique in a multi-hop relay network which uses relays that harvest energy from power beacons (PB). This part derives the exact throughput expressions for NOMA and provides a performance analysis of three different NOMA schemes to determine the optimal parameters for the proposed system’s throughput. A self-learning clustering protocol (SLCP) in which a node learns its neighbor’s information is also proposed for determining the node density and the residual energy used to cluster head (CH) selection and improve energy efficiency, thereby prolonging sensor network lifetime and gaining higher throughput. Second, NOMA provides many opportunities for massive connectivity at lower latencies, but it may also cause co-channel interference by reusing frequencies. CCI and fading play a major role in deciding the quality of the received signal. The dissertation takes into account the presence of η and µ fading channels in a network using NOMA. The closed-form expressions of outage probability (OP) and throughput were derived with perfect successive interference cancellation (SIC) and imperfect SIC. The dissertation also addresses the integration of NOMA into a satellite communications network and evaluates its system performance under the effects of imperfect channel state information (CSI) and CCI. Finally, the dissertation presents a new model for a NOMA-based hybrid satellite-terrestrial relay network (HSTRN) using mmWave communications. The satellite deploys the NOMA scheme, whereas the ground relays are equipped with multiple antennas and employ the amplify and forward (AF) protocol. The rain attenuation coefficient is considered as the fading factor of the mmWave band to choose the best relay, and the widely applied hybrid shadowed-Rician and Nakagami-m channels characterize the transmission environment of HSTRN. The closed-form formulas for OP and ergodic capacity (EC) were derived to evaluate the system performance of the proposed model and then verified with Monte Carlo simulations.Dizertační práce zkoumala různé modely sítí a zaměřila se na tři důležité vlastnosti pro buňkové sítě příští generace s ohledem na mmW komunikace, kterými jsou: vliv útlumu a mezikanálového rušení (CCI), energetická účinnost a účinnost spektra. Co se týče prvního cíle, dizertace obsahuje studii techniky neortogonálního vícenásobného přístupu (NOMA) v bezdrátové multiskokové relay síti využívající získávání energie, kde relay uzly sbírají energii z energetických majáků (PB). Tato část přináší přesné výrazy propustnosti pro NOMA a analýzu výkonnosti se třemi různými schématy NOMA s cílem určit optimální parametry pro propustnost navrženého systému. Dále byl navržen samoučící se shlukovací protokol (SLCP), ve kterém se uzel učí informace o sousedech, aby určil hustotu uzlů a zbytkovou energii použitou k výběru hlavy shluku CH pro zlepšení energetické účinnosti, čímž může prodloužit životnost sensorové sítě a zvýšit propustnost. Za druhé, přístup NOMA poskytl mnoho příležitostí pro masivní připojení s nižší latencí, NOMA však může způsobovat mezikanálové rušení v důsledku opětovného využívání kmitočtů. CCI a útlum hrají klíčovou roli při rozhodování o kvalitě přijímaného signálu. V této dizertace je brána v úvahu přítomnost η a µ útlumových kanálů v síti užívající NOMA. Odvozeny jsou výrazy v uzavřené formě pro pravděpodobnost výpadku (OP) a propustnost s dokonalým postupným rušením rušení (SIC) a nedokonalým SIC. Dále se dizertace zabývá integrací přístupu NOMA do satelitní komunikační sítě a vyhodnocuje výkonnost systému při dopadech nedokonalé informace o stavu kanálu (CSI) a CCI. Závěrem disertační práce představuje nový model pro hybridní družicově-terestriální přenosovou síť (HSTRN) založenou na NOMA vícenásobném přístupu využívající mmWave komunikaci. Satelit využívá NOMA schéma, zatímco pozemní relay uzly jsou vybaveny více anténami a aplikují protokol zesilování a předávání (AF). Je zaveden srážkový koeficient, který je uvažován jako útlumový faktor mmWave pásma při výběru nejlepšího relay uzlu. Samotné přenosové prostředí HSTRN je charakterizováno pomocí hybridních Rician a Nakagami-m kanálů. Vztahy pro vyhodnocení výkonnosti systému navrženého modelu vyjadřující ergodickou kapacitu (EC) a pravděpodobnost ztrát (OP) byly odvozeny v uzavřené formě a následně ověřeny pomocí simulační numerické metody Monte Carlo.440 - Katedra telekomunikační technikyvyhově

Contributions to the Performance Analysis of Intervehicular Communications Systems and Schemes

RÉSUMÉ Le but des systèmes de communication intervéhicule (Inter-Vehicle Communication – IVC) est d'améliorer la sécurité de conduite en utilisant des capteurs et des techniques de communication sans fil pour être en mesure de communiquer mutuellement sans aucune intervention extérieure. Avec l'utilisation de ces systèmes, les communications véhicule à véhicule (V2V) peuvent être plus efficaces dans la prévention des accidents et la décongestion de la circulation que si chaque véhicule travaillait individuellement. Une des solutions proposées pour les systèmes IVC est l’utilisation des systèmes de communication coopérative, qui en principe, augmentent l'efficacité spectrale et énergétique, la couverture du réseau, et réduit la probabilité de défaillance. La diversité d'antenne (entrées multiples sorties multiples « Multiple-Input Multiple-Output » ou MIMO) peut également être une alternative pour les systèmes IVC pour améliorer la capacité du canal et la diversité (fiabilité), mais en échange d’une complexité accrue. Toutefois, l'application de telles solutions est difficile, car les communications sans fil entre les véhicules sont soumises à d’importants effets d'évanouissements des canaux appelés (canaux sujets aux évanouissements de n*Rayleigh, « n*Rayleigh fading channels»), ce qui conduit à la dégradation des performances. Par conséquent, dans cette thèse, nous proposons une analyse de la performance globale des systèmes de transmission coopératifs et MIMO sur des canaux sujets aux évanouissements de n*Rayleigh. Cette analyse permettra d’aider les chercheurs pour la conception et la mise en œuvre de systèmes de communication V2V avec une complexité moindre. En particulier, nous étudions d'abord la performance de la sélection du relais de coopération avec les systèmes IVC, on suppose que la transmission via « Amplify-and-Forward» (AF) ou bien «Decode-and-Forward» (DF) est assurée par N relais pour transférer le message de la source à la destination. La performance du système est analysée en termes de probabilité de défaillance, la probabilité d'erreur de symbole, et la capacité moyenne du canal. Les résultats numériques démontrent que la sélection de relais réalise une diversité de l'ordre de (d≈mN/n) pour les deux types de relais, où m est un paramètre évanouissement de Rayleigh en cascade. Nous étudions ensuite la performance des systèmes IVC à sauts multiples avec et sans relais régénératifs. Dans cette étude, nous dérivons des expressions approximatives pour la probabilité de défaillance et le niveau d’évanouissement lorsque la diversité en réception basée sur le ratio maximum de combinaison (MRC) est employée. En outre, nous analysons la répartition de puissance pour le système sous-jacent afin de minimiser la probabilité globale de défaillance. Nous montrons que la performance des systèmes régénératifs est meilleure que celle des systèmes non régénératifs lorsque l’ordre de cascade n est faible, tandis qu’ils ont des performances similaires lorsque n est élevé. Ensuite, nous considérons le problème de la détection de puissance des signaux inconnus aux n* canaux de Rayleigh. Dans ce travail, de nouvelles expressions approximatives sont dérivées de la probabilité de détection moyenne avec et sans diversité en réception MRC. En outre, la performance du système est analysée lorsque la détection de spectre coopérative (CSS) est considérée sous diverses contraintes de canaux (par exemple, les canaux de communication parfaits et imparfaits). Les résultats numériques ont montré que la fiabilité de détection diminue à mesure que l'ordre n augmente et s’améliore sensiblement lorsque CSS emploie le schéma MRC. Il est démontré que CSS avec le schéma MRC maintient la probabilité de fausse alarme minimale dans les canaux d’information imparfaite plutôt que d'augmenter le nombre d'utilisateurs en coopération. Enfin, nous présentons une nouvelle approche pour l'analyse des performances des systèmes IVC sur n*canaux de Rayleigh, en utilisant n_T antennes d'émission et n_R antennes de réception pour lutter contre l'effet d’évanouissement. Dans ce contexte, nous évaluons la performance des systèmes MIMO-V2V basés sur la sélection des antennes d'émission avec un ratio maximum de combinaison (TAS/MRC) et la sélection combinant (TAS/SC). Dans cette étude, nous dérivons des expressions analytiques plus précises pour la probabilité de défaillance, la probabilité d'erreur de symbole, et l’évanouissement sur n*canaux Rayleigh. Il est montré que les deux régimes ont le même ordre de diversité maximale équivalent à (d≈mn_T n_R /n) . En outre, TAS / MRC offre un gain de performance mieux que TAS/ SC lorsque le nombre d'antennes de réception est plus que celle des antennes d’émission, mais l’amélioration de la performance est limitée lorsque n augmente.----------Abstract The purpose of intervehicular communication (IVC) systems is to enhance driving safety, in which vehicles use sensors and wireless communication techniques to talk to each other without any roadside intervention. Using these systems, vehicle-to-vehicle (V2V) communications can be more effective in avoiding accidents and traffic congestion than if each vehicle works individually. A potential solution can be implemented in this research area using cooperative communications systems which, in principle, increase spectral and power efficiency, network coverage, and reduce the outage probability. Antenna diversity (i.e., multiple-input multiple output (MIMO) systems) can also be an alternative solution for IVC systems to enhance channel capacity and diversity (reliability) but in exchange of an increased complexity. However, applying such solutions is challenging since wireless communications among vehicles is subject to harsh fading channels called ‘n*Rayleigh fading channels’, which leads to performance degradation. Therefore, in this thesis we provide a comprehensive performance analysis of cooperative transmission and MIMO systems over n*Rayleigh fading channels that help researchers for the design and implementation of V2V communication systems with lower complexity. Specifically, we first investigate the performance of cooperative IVC systems with relay selection over n*Rayleigh fading channels, assuming that both the decode-and-forward and the amplify-and-forward relaying protocols are achieved by N relays to transfer the source message to the destination. System performance is analyzed in terms of outage probability, symbol error probability, and average channel capacity. The numerical results have shown that the best relay selection approach achieves the diversity order of (d≈mN/n) where m is a cascaded Rayleigh fading parameter. Second, we investigate the performance of multihop-IVC systems with regenerative and non-regenerative relays. In this study, we derive approximate closed-form expressions for the outage probability and amount of fading when the maximum ratio combining (MRC) diversity reception is employed. Further, we analyze the power allocation for the underlying scheme in order to minimize the overall outage probability. We show that the performance of regenerative systems is better than that of non-regenerative systems when the cascading order n is low and they have similar performance when n is high. Third, we consider the problem of energy detection of unknown signals over n*Rayleigh fading channels. In this work, novel approximate expressions are derived for the average probability of detection with and without MRC diversity reception. Moreover, the system performance is analyzed when cooperative spectrum sensing (CSS) is considered under various channel constraints (e.g, perfect and imperfect reporting channels). The numerical results show that the detection reliability decreases as the cascading order n increases and substantially improves when CSS employs MRC schemes. It is demonstrated that CSS with MRC scheme keeps the probability of false alarm minimal under imperfect reporting channels rather than increasing the number of cooperative users. Finally, we present a new approach for the performance analysis of IVC systems over n*Rayleigh fading channels, using n_T transmit and n_R receive antennas to combat fading influence. In this context, we evaluate the performance of MIMO-V2V systems based on the transmit antenna selection with maximum ratio combining (TAS/MRC) and selection combining (TAS/SC) schemes. In this study, we derive tight analytical expressions for the outage probability, the symbol error probability, and the amount of fading over n*Rayleigh fading channels. It is shown that both schemes have the same maximum diversity order equivalent to (d≈mn_T n_R /n). In addition, TAS/MRC offers a better performance gain than TAS/SC scheme when the number of receive antennas is more than that of transmit antennas, but the performance improvement is limited as n increases

Virtual full-duplex multiple-input multiple-output relaying in the presence of inter-relay interference

Driven by the increasing demand for wireless broadband, low latency and power-efficient networks, multiple-input multiple-output (MIMO) full-duplex relaying (FDR) schemes have gained much attention in recent years. However, the performance of FDR schemes is impaired by sophisticated self-interference suppression techniques. As such, MIMO virtual FDR (VFDR) schemes have been considered as practical alternatives to recover spectral efficiency loss in half-duplex relays (HDR) without the need for sophisticated self-interference suppression algorithms. Successive relaying (SR) scheme is one of the VFDR techniques which uses a pair of HD relays that alternate between reception and retransmission of the source information to the destination. The performance of the SR based VFDR scheme is affected by inter-relay interference (IRI) due to the concurrent transmission of the source and relay nodes. The interference in VFDR schemes is conventionally treated as a degrading factor on the information decoding receivers resulting in the design of several interference avoidance and cancellation techniques. On the contrary, this thesis developed several VFDR schemes which exploit the interference to achieve performance improvement. In this study, interference management techniques, transmit/receive beamforming matrices, power allocation and joint optimisation algorithms were developed. First, a reliable MIMO VFDR scheme in the presence of IRI was designed, where the IRI was exploited for reliability improvements. The results showed significant reliability improvement over the existing schemes. Second, a joint power allocation for MIMO VFDR schemes under network power constraint was developed. The power allocation problem in the presence of IRI was formulated based on primal-dual algorithm. The results showed that the joint optimisation algorithm can efficiently utilise the network power when compared with the conventional approach. Third, simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in MIMO VFDR system was proposed, where the transmit beamforming matrices which optimise the achievable rate and harvested energy at the relays were jointly designed. The results showed that the interference energy can be harnessed to improve the SWIPT system throughput. Finally, a joint optimisation of the power split and relay position in SWIPT MIMO VFDR network were investigated. Results showed that the joint optimisation of the power split and distance factors can greatly improve the system outage performance. The analytical and numerical results in the research showed that IRI can be exploited to improve the throughput, reliability and energy harvesting of a wireless communication system. The results also showed a minimum achievable rate improvement of 80% over the HDR schemes and a reliability of 100% over the FDR schemes