Power Allocation Based on SEP Minimization in Two-Hop Decode-and-Forward Relay Networks

The problem of optimal power allocation among the relays in a two-hop decode-and-forward cooperative relay network with independent Rayleigh fading channels is considered. It is assumed that only the relays that decode the source message correctly contribute in data transmission. Moreover, only the knowledge of statistical channel state information is available. A new simple closed-form expression for the average symbol error probability is derived. Based on this expression, a new power allocation method that minimizes the average symbol error probability and takes into account the constraints on the total average power of all the relay nodes and maximum instant power of each relay node is developed. The corresponding optimization problem is shown to be a convex problem that can be solved using interior point methods. However, an approximate closed-form solution is obtained and shown to be practically more appealing due to significant complexity reduction. The accuracy of the approximation is discussed. Moreover, the so obtained closed-form solution gives additional insights into the optimal power allocation problem. Simulation results confirm the improved performance of the proposed power allocation scheme as compared to other schemes.Comment: 27 pages, 5 figures, submitted to the IEEE Trans. Signal Processing in Feb. 201

Cooperative Communications in Ad Hoc Networks

Les techniques de communication coopératives ont été proposées pour améliorer la qualité des signaux reçus par les terminaux sans fil grâce au principe de diversité spatiale. Cette propriété est obtenue par une duplication du signal, envoyé par l’émetteur au niveau d’un terminal relais situé entre l’émetteur et le récepteur. Les travaux de recherche menés en communications coopératives concernent deux domaines principaux: certains traitent la transmission physique alors que d’autres sont étudient l’interaction de la couche physique avec les couches protocolaires supérieures, en particulier les niveaux MAC (Medium Access Control) et réseau. Si ces domaines de recherche sont généralement séparés, des études conjointes s’avèrent nécessaires pour obtenir des systèmes coopératifs implantables. C’est dans ce contexte que se situent les travaux de la thèse avec, comme cadre applicatif, les réseaux ad hoc. En premier lieu, dans la mesure où il n’existe pas de modèle complet de système coopératif, un cadre de modélisation original est proposé pour représenter le fonctionnement d’un système coopératif, sa mise en place et son fonctionnement. Une caractéristique du modèle est de faire abstraction des couches protocolaires. Cette façon de procéder permet d’analyser de façon similaire différentes solutions proposées dans la littérature. De plus, ce modèle facilite la conception de solutions coopératives, en particulier la conception du processus de mise en place du système de coopération qui initialise les rôles de relais, destinataire et source en fonctionnement coopératif. Le modèle de système coopératif est utilisé pour la conception d’une solution de transmission coopérative adaptative où le relais agit en tant que proxy entre la source et le destinataire. L’intérêt de notre proposition, ProxyCoop, par rapport à d’autres propositions, est d’être compatible avec le protocole IEEE 802.11 que ce soit dans son mode de base ou dans son mode optionnel. Pour chaque trame, le mode de transmission à la source est dynamiquement défini soit en mode proxy coopératif soit en mode non coopératif, et ce en fonction de la réception ou la non réception d’un acquittement du destinataire. Les résultats de simulation montrent, sous certaines conditions, une amélioration des performances en termes de nombre de trames effectivement reçues. Le nombre de retransmissions dues à des trames reçues erronées est diminué, et les transmissions en mode multi saut, coûteuses en temps et en bande passante sont également diminuées. Les conditions favorables à la coopération sont dépendantes de la qualité et de l’accessibilité du canal. Une méthode pour la mise en place du système coopératif est également proposée. Elle repose sur l’utilisation d’un protocole standard de routage pour réseaux ad hoc, AODV. Les évaluations de performances indiquent que la mise en place du système de coopération coûte peu en termes de bande passante, les performances du système (mise en place et fonctionnement) sont supérieures à celles d’un système non-coopératif, pour des conditions données. Finalement, l’application de la solution proposée à un réseau ad hoc spécifique, un réseau maillé (mesh) conforme au standard IEEE 802.11s illustre où et comment déployer la solution proposée. ABSTRACT : Cooperative communication techniques have been proposed in order to improve the quality of the received signals at the receivers by using the diversity added by duplication of signals sent by relay terminals situated between each transmission pair. Researches related to cooperative communication can be categorized into two fields; Cooperative transmissions and Cooperative setup. The first research field concerns with cooperative transmission techniques in the physical layer while the second research field concerns with issues on inter-layer interaction between cooperative transmissions in the physical layer to protocols in the upper layers (especially the MAC layer and the network layer). These research topics have been separately concerned but, for implementations, they have to work together. Since there is not any existing common frame work to describe entire functions in cooperative communication, we proposed an original framework of cooperative network at the system level called “Cooperative Network Model”. The model does not reflect the protocol layering; thus, we can generalize the cooperation process and obtain an analysis that is available for many solutions. For validity, the proposed model can clearly illustrate and systematically describe existing cooperative setup protocols. In addition, the proposed cooperative network model facilitates us to find and to solve problems in cooperative designs; especially in cooperative setup, which is in charge on the initiation of the terminal’s role (i.e., a source, a relay, and a destination terminal). Thus, we believe that this model can facilitate the design and updating of existing and future propositions in this domain. The cooperative network protocol is used to design an adaptive cooperative transmission called Proxy Cooperative Transmission. In contrast to other adaptive cooperative transmission techniques, our proposition is compatible to both of the basic access mode and the optional access mode of IEEE 802.11 Medium Access Control (MAC) protocol. The transmission mode for each data frame is adaptively switched between a proxy cooperative mode and a non-cooperative mode based on the absence of acknowledge (ACK) frame. Simulation results show that transmission performance is improved by decreasing the number of re-transmissions due to frame errors; thus, chances of multi-hop mode transitions that are costly in time and bandwidth are alleviated. Then, in order to fulfill ProxyCoop communications in part of cooperative setup, we propose a cooperative setup method called “Proxy Cooperative Setup”. The proposition is based on a routing standard protocol for ad hoc networks, AODV, so that it could be easily deployed. The impacts of ProxyCoopSetup when it works with ProxyCoop transmissions have been studied. From simulation results, it shows that ProxyCoop transmissions with ProxyCoopSetup has similar performance to the ProxyCoop transmissions without ProxyCoopSetup. Finally, when the implementation of the proxy cooperative communication and how it can be integrated on existing networks have been considered, it is shown that the design of proxy cooperative communication is also valuable for the 802.11s WLAN Mesh Network environments