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

On Secrecy Performance for Energy-Harvesting Multi-Antenna Relaying Networks with a Dual-Use Source

This paper studies the secrecy performance of an energy-harvesting relaying system in the presence of a dual-use source node and an eavesdropper. Specifically, the source has dual roles in the dual-hop communication: 1) to transmit confidential information in the first hop; 2) to generate jamming signal to interfere the eavesdropper in the second hop. Moreover, the multi-antenna relay deploys a power-splitting harvesting scheme to coordinate the information receiving and energy harvesting, and adopts maximal ratio combining technique to process the multiple copies of signals. Considering decode-and-forward protocol and transmit antenna selection scheme, we derive an analytical expression for secrecy outage probability, and perform Monte Carlo simulation to validate the analysis. Analytical results show that the SOP performance with the dual-use source node can be effectively improved when the relay-destination channel does not have absolute advantage over the relay-eavesdropper channel

Secrecy Enhancement in Cooperative Relaying Systems

Cooperative communications is obviously an evolution in wireless networks due to its noticeable advantages such as increasing the coverage as well as combating fading and shadowing effects. However, the broadcast characteristic of a wireless medium which is exploited in cooperative communications leads to a variety of security vulnerabilities. As cooperative communication networks are globally expanded, they expose to security attacks and threats more than ever. Primarily, researchers have focused on upper layers of network architectures to meet the requirements for secure cooperative transmission while the upper-layer security solutions are incapable of combating a number of security threats, e.g., jamming attacks. To address this issue, physical-layer security has been recommended as a complementary solution in the literature. In this thesis, physical layer attacks of the cooperative communication systems are studied, and corresponding security techniques including cooperative jamming, beamforming and diversity approaches are investigated. In addition, a novel security solution for a two-hop decode-and-forward relaying system is presented where the transmitters insert a random phase shift to the modulated data of each hop. The random phase shift is created based on a shared secret among communicating entities. Thus, the injected phase shift confuses the eavesdropper and secrecy capacity improves. Furthermore, a cooperative jamming strategy for multi-hop decode-and-forward relaying systems is presented where multiple non-colluding illegitimate nodes can overhear the communication. The jamming signal is created by the transmitter of each hop while being sent with the primary signal. The jamming signal is known at the intended receiver as it is according to a secret common knowledge between the communicating entities. Hence, artificial noise misleads the eavesdroppers, and decreases their signal-to-noise-ratio. As a result, secrecy capacity of the system is improved. Finally, power allocation among friendly jamming and main signal is proposed to ensure that suggested scheme enhances secrecy