Multi-Antenna Cooperative Wireless Systems: A Diversity-Multiplexing Tradeoff Perspective

We consider a general multiple antenna network with multiple sources, multiple destinations and multiple relays in terms of the diversity-multiplexing tradeoff (DMT). We examine several subcases of this most general problem taking into account the processing capability of the relays (half-duplex or full-duplex), and the network geometry (clustered or non-clustered). We first study the multiple antenna relay channel with a full-duplex relay to understand the effect of increased degrees of freedom in the direct link. We find DMT upper bounds and investigate the achievable performance of decode-and-forward (DF), and compress-and-forward (CF) protocols. Our results suggest that while DF is DMT optimal when all terminals have one antenna each, it may not maintain its good performance when the degrees of freedom in the direct link is increased, whereas CF continues to perform optimally. We also study the multiple antenna relay channel with a half-duplex relay. We show that the half-duplex DMT behavior can significantly be different from the full-duplex case. We find that CF is DMT optimal for half-duplex relaying as well, and is the first protocol known to achieve the half-duplex relay DMT. We next study the multiple-access relay channel (MARC) DMT. Finally, we investigate a system with a single source-destination pair and multiple relays, each node with a single antenna, and show that even under the idealistic assumption of full-duplex relays and a clustered network, this virtual multi-input multi-output (MIMO) system can never fully mimic a real MIMO DMT. For cooperative systems with multiple sources and multiple destinations the same limitation remains to be in effect.Comment: version 1: 58 pages, 15 figures, Submitted to IEEE Transactions on Information Theory, version 2: Final version, to appear IEEE IT, title changed, extra figures adde

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

End-to-End Joint Antenna Selection Strategy and Distributed Compress and Forward Strategy for Relay Channels

Multi-hop relay channels use multiple relay stages, each with multiple relay nodes, to facilitate communication between a source and destination. Previously, distributed space-time codes were proposed to maximize the achievable diversity-multiplexing tradeoff, however, they fail to achieve all the points of the optimal diversity-multiplexing tradeoff. In the presence of a low-rate feedback link from the destination to each relay stage and the source, this paper proposes an end-to-end antenna selection (EEAS) strategy as an alternative to distributed space-time codes. The EEAS strategy uses a subset of antennas of each relay stage for transmission of the source signal to the destination with amplify and forwarding at each relay stage. The subsets are chosen such that they maximize the end-to-end mutual information at the destination. The EEAS strategy achieves the corner points of the optimal diversity-multiplexing tradeoff (corresponding to maximum diversity gain and maximum multiplexing gain) and achieves better diversity gain at intermediate values of multiplexing gain, versus the best known distributed space-time coding strategies. A distributed compress and forward (CF) strategy is also proposed to achieve all points of the optimal diversity-multiplexing tradeoff for a two-hop relay channel with multiple relay nodes.Comment: Accepted for publication in the special issue on cooperative communication in the Eurasip Journal on Wireless Communication and Networkin