When Network Coding and Dirty Paper Coding meet in a Cooperative Ad Hoc Network

We develop and analyze new cooperative strategies for ad hoc networks that are more spectrally efficient than classical DF cooperative protocols. Using analog network coding, our strategies preserve the practical half-duplex assumption but relax the orthogonality constraint. The introduction of interference due to non-orthogonality is mitigated thanks to precoding, in particular Dirty Paper coding. Combined with smart power allocation, our cooperation strategies allow to save time and lead to more efficient use of bandwidth and to improved network throughput with respect to classical RDF/PDF.Comment: 7 pages, 7 figure

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

Multi-Source Cooperative Communication with Opportunistic Interference Cancelling Relays

In this paper we present a multi-user cooperative protocol for wireless networks. Two sources transmit simultaneously their information blocks and relays employ opportunistically successive interference cancellation (SIC) in an effort to decode them. An adaptive decode/amplify-and-forward scheme is applied at the relays to the decoded blocks or their sufficient statistic if decoding fails. The main feature of the protocol is that SIC is exploited in a network since more opportunities arise for each block to be decoded as the number of used relays NRU is increased. This feature leads to benefits in terms of diversity and multiplexing gains that are proven with the help of an analytical outage model and a diversity-multiplexing tradeoff (DMT) analysis. The performance improvements are achieved without any network synchronization and coordination. In the final part of this work the closed-form outage probability model is used by a novel approach for offline pre-selection of the NRU relays, that have the best SIC performance, from a larger number of NR nodes. The analytical results are corroborated with extensive simulations, while the protocol is compared with orthogonal and multi-user protocols reported in the literature.Comment: in IEEE Transactions on Communications, 201

Ergodic capacity of the exponentially correlated slotted amplify and forward relay channel

In this paper we analyze the performance degradation of slotted amplify-and-forward protocol in wireless environments with high node density where the number of relays grows asymptotically large. Channel gains between source-destination pairs in such networks can no longer be independent. We analyze the degradation of performance in such wireless environments where channel gains are exponentially correlated by looking at the capacity per channel use. Theoretical results for eigenvalue distribution and the capacity are derived and compared with the simulation results. Both analytical and simulated results show that the capacity given by the asymptotic mutual information decreases with the network density

Outage Performance Analysis of Multicarrier Relay Selection for Cooperative Networks

In this paper, we analyze the outage performance of two multicarrier relay selection schemes, i.e. bulk and per-subcarrier selections, for two-hop orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems. To provide a comprehensive analysis, three forwarding protocols: decode-and-forward (DF), fixed-gain (FG) amplify-and-forward (AF) and variable-gain (VG) AF relay systems are considered. We obtain closed-form approximations for the outage probability and closed-form expressions for the asymptotic outage probability in the high signal-to-noise ratio (SNR) region for all cases. Our analysis is verified by Monte Carlo simulations, and provides an analytical framework for multicarrier systems with relay selection