Diversity techniques for broadband wireless communications: performance enhancement and analysis

The diversity techniques have been proven to be effective for next generation broadband wireless communications, and are the focus of this thesis. The diversity techniques can be broadly categorized into three types: Space, Time, and Frequency. In this thesis, we are mainly concerned with frequency and space diversity techniques. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a frequency diversity technique which offers several benefits such as easier digital implementation, immunity to multipath channels, low complexity channel equalization, etc. Despite these desirable features, there are few inherent problems in OFDM such as high peak-to-average power ratio (PAPR). High PAPR demands large dynamic range in the transmitted chain such as digital to analog converter (DAC) and power amplifier (PA). Unless pre-processed, the transmitted signal gets distorted due to quantization errors and inter-modulation. In the initial stage of PhD candidature, the author focused on PAPR reduction techniques. A simple modification on conventional iterative clipping and filtering (ICF) technique was proposed which has less computational complexity. The power savings achievable from clipping and filtering method was considered next. Furthermore the ICF is compared with another distortion-less PAPR reduction technique called Selective Mapping (SLM) based on power savings. Finally, impact of clipping and filtering on the channel estimation was analyzed. Space diversity seeks to exploit the multi-path characteristics of wireless channels to improve the performance. The simplest form of the space diversity is the receive diversity where two or more antennas with sufficient spacing collect independent copies of the same transmitted signal, which contributes to better signal reception. In this thesis new analytical expressions for spectral efficiency, capacity, and error rates were presented for adaptive systems with channel estimation error. Beamforming (steering signal towards desired receiver) is another useful technique in multiple-antenna systems to further improve the system performance. MRT (Maximal Ratio Transmission) or MIMO-MRC is such system where the transmitter, based on channel feedback from the receiver, uses weighting factors to steer the transmitted signal. Closed form expressions for symbol error rates were derived for MRT system with channel estimation error. The results were extended to evaluate closed form expressions of error rates for Rectangular QAM. Antenna correlation was considered in another contribution on MRC systems. Relay and Cooperative networks represent another form of spatial diversity and have recently attracted significant research attention. These networks rely on intermediate nodes called "relays" to establish communication between the source and the destination. In addition to coverage extension, the relay networks have shown to offer cooperative diversity when there is a direct link or multiple relays. The first contribution is to analyze a dual-hop amplify-forward relay networks with dissimilar fading scenarios. Next error rates of Rectangular QAM for decode-forward selection relay system are derived. Multiple antenna at relay is included to analyze the benefits of dual spatial diversity over Rayleigh and Nakagami fading channels. Antenna selection is a cost-effective way to exploit the antenna diversity. General Order Antenna Selection (GOAS), based on Ordered Statistics, is used to evaluate signal statistics for a MIMO relay network

Performance analysis of diversity techniques in wireless communication systems: Cooperative systems with CCI and MIMO-OFDM systems

This Dissertation analyzes the performance of ecient digital commu- nication systems, the performance analysis includes the bit error rate (BER) of dier- ent binary and M-ary modulation schemes, and the average channel capacity (ACC) under dierent adaptive transmission protocols, namely, the simultaneous power and rate adaptation protocol (OPRA), the optimal rate with xed power protocol (ORA), the channel inversion with xed rate protocol (CIFR), and the truncated channel in- version with xed transmit power protocol (CTIFR). In this dissertation, BER and ACC performance of interference-limited dual-hop decode-and-forward (DF) relay- ing cooperative systems with co-channel interference (CCI) at both the relay and destination nodes is analyzed in small-scale multipath Nakagami-m fading channels with arbitrary (integer as well as non-integer) values of m. This channel condition is assumed for both the desired signal as well as co-channel interfering signals. In addition, the practical case of unequal average fading powers between the two hops is assumed in the analysis. The analysis assumes an arbitrary number of indepen- dent and non-identically distributed (i.n.i.d.) interfering signals at both relay (R) and destination (D) nodes. Also, the work extended to the case when the receiver employs the maximum ratio combining (MRC) and the equal gain combining (EGC) schemes to exploit the diversity gain

Esquemas distribuídos para seleção de múltiplas antenas em redes com retransmissores do tipo amplifica-e-encaminha

Orientador: José Cândido Silveira Santos FilhoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A seleção de antena na transmissão tem sido apresentada como uma estratégia promissora para explorar os benefícios do uso de múltiplas antenas em sistemas de comunicações com retransmissores. No entanto, essa abordagem pode exigir um montante considerável de estimações de canal, transmissões de realimentação e atraso, dado que a sua implementação ótima e centralizada requer o monitoramento do estado do canal de todos os enlaces. Para aliviar essas deficiências, este trabalho propõe e analisa um conjunto de esquemas subótimos de seleção de antena na transmissão para sistemas com retransmissores do tipo amplifica-e-encaminha, os quais podem ser implementados de uma forma distribuída. Nos esquemas propostos, a antena é selecionada com base na informação local do estado de canal que está disponível na fonte, requerendo, portanto, um atraso e uma carga de realimentação pequenos e constantes. Tal abordagem é considerada em uso conjunto com diferentes técnicas, incluindo métodos de combinação de diversidade (combinação por máxima razão e combinação por seleção) no destino, protocolos de ganho fixo ou variável no relay, e transceptores com múltiplas antenas no relay. Além disso, para o caso particular em que o retransmissor tem ganho fixo e uma única antena, considera-se também o uso de um mecanismo de seleção de enlace na fonte. Para cada caso, o desempenho do sistema é avaliado em termos de probabilidade de outage, eficiência espectral e/ou vazão. O foco principal é direcionado à probabilidade de outage, para a qual são deduzidas expressões exatas e limitantes de desempenho. Uma análise assintótica é também efetuada para enriquecer a compreensão do comportamento do sistema quando operando sob alta relação sinal-ruído. Finalmente, como contribuição isolada, uma estratégia subótima e simples de alocação de potência é elaborada para um sistema com múltiplos retransmissores do tipo decodifica-e-encaminha, considerando-se enlaces com erros e codificação de fonte distribuídaAbstract: Transmit-antenna selection has been presented as a promising strategy for exploiting the benefits of multiple antennas in relaying communication systems. However, this approach may demand a considerable amount of channel estimations, feedback transmissions, and delay, since its optimal centralized implementation requires monitoring the channel state of all links. To alleviate those impairments, this work proposes and analyzes a set of suboptimal transmit-antenna selection schemes for amplify-and-forward relaying systems, which can be implemented in a distributed manner. In the proposed schemes, the antenna is selected based on the local channel-state information that is available at the source, thus requiring a low and constant delay/feedback overhead. Such an approach is considered along with different techniques, including diversity combining methods (maximal-ratio combining and selection combining) at the destination, fixed- and variable-gain protocols at the relay, and multi-antenna transceivers at the relay. A link-selection mechanism at the source is also considered for the special case of a single-antenna fixed-gain relay. For each case, the system performance is assessed in terms of outage probability, spectral efficiency, and/or throughput. The main focus is placed on the outage probability, for which exact or bound expressions are derived. An asymptotic analysis is also performed to provide further insights into the system behavior at high signal-to-noise ratio. Finally, as an isolated contribution, a simple suboptimal power allocation strategy is designed for a decode-and-forward multi-relay system with lossy intra-links and distributed source codingDoutoradoTelecomunicações e TelemáticaDoutora em Engenharia ElétricaCAPE

QoS-driven adaptive resource allocation for mobile wireless communications and networks

Quality-of-service (QoS) guarantees will play a critically important role in future mobile wireless networks. In this dissertation, we study a set of QoS-driven resource allocation problems for mobile wireless communications and networks. In the first part of this dissertation, we investigate resource allocation schemes for statistical QoS provisioning. The schemes aim at maximizing the system/network throughput subject to a given queuing delay constraint. To achieve this goal, we integrate the information theory with the concept of effective capacity and develop a unified framework for resource allocation. Applying the above framework, we con-sider a number of system infrastructures, including single channel, parallel channel, cellular, and cooperative relay systems and networks, respectively. In addition, we also investigate the impact of imperfect channel-state information (CSI) on QoS pro-visioning. The resource allocation problems can be solved e±ciently by the convex optimization approach, where closed-form allocation policies are obtained for different application scenarios. Our analyses reveal an important fact that there exists a fundamental tradeoff between throughput and QoS provisioning. In particular, when the delay constraint becomes loose, the optimal resource allocation policy converges to the water-filling scheme, where ergodic capacity can be achieved. On the other hand, when the QoS constraint gets stringent, the optimal policy converges to the channel inversion scheme under which the system operates at a constant rate and the zero-outage capacity can be achieved. In the second part of this dissertation, we study adaptive antenna selection for multiple-input-multiple-output (MIMO) communication systems. System resources such as subcarriers, antennas and power are allocated dynamically to minimize the symbol-error rate (SER), which is the key QoS metric at the physical layer. We propose a selection diversity scheme for MIMO multicarrier direct-sequence code- division-multiple-access (MC DS-CDMA) systems and analyze the error performance of the system when considering CSI feedback delay and feedback errors. Moreover, we propose a joint antenna selection and power allocation scheme for space-time block code (STBC) systems. The error performance is derived when taking the CSI feedback delay into account. Our numerical results show that when feedback delay comes into play, a tradeoff between performance and robustness can be achieved by dynamically allocating power across transmit antennas

Cooperative Transmission Techniques in Wireless Communication Networks

Cooperative communication networks have received significant interests from both academia and industry in the past decade due to its ability to provide spatial diversity without the need of implementing multiple transmit and/or receive antennas at the end-user terminals. These new communication networks have inspired novel ideas and approaches to find out what and how performance improvement can be provided with cooperative communications. The objective of this thesis is to design and analyze various cooperative transmission techniques under the two common relaying signal processing methods, namely decode-and-forward (DF) and amplify-and-forward (AF). For the DF method, the thesis focuses on providing performance improvement by mitigating detection errors at the relay(s). In particular, the relaying action is implemented adaptively to reduce the phenomenon of error propagation: whether or not a relay’s decision to retransmit depends on its decision variable and a predefined threshold. First, under the scenario that unequal error protection is employed to transmit different information classes at the source, a relaying protocol in a singlerelay network is proposed and its error performance is evaluated. It is shown that by setting the optimal signal-to-noise ratio (SNR) thresholds at the relay for different information classes, the overall error performance can be significantly improved. Second, for multiple-relay networks, a relay selection protocol, also based on SNR thresholds, is proposed and the optimal thresholds are also provided. Third, an adaptive relaying protocol and a low-complexity receiver are proposed when binary frequency-shift-keying (FSK) modulation is employed and neither the receiver nor the transmitter knows the fading coefficients. It is demonstrated that large performance improvements are possible when the optimal thresholds are implemented at the relays and destination. Finally, under the scenario that there is information feedback from the destination to the relays, a novel protocol is developed to achieve the maximum transmission throughput over a multiple-relay network while the bit-error rate satisfies a given constraint. With the AF method, the thesis examines a fixed-gain multiple-relay network in which the channels are temporally-correlated Rayleigh flat fading. Developed is a general framework for maximum-ratio-combining detection when M-FSK modulation is used and no channel state information is available at the destination. In particular, an upper-bound expression on the system’s error performance is derived and used to verify that the system achieves the maximal diversity order. Simulation results demonstrate that the proposed scheme outperforms the existing schemes for the multiple-relay network under consideration

Design Of Vehicular Communication Systems Employing Physical Layer Network Coding Over Cascaded Fading Channels

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017İnsandan insana ses taşıma odaklı ikinci nesil (2nd Generation, 2G) mobil haberleşme teknolojilerinin kaydettiği başarıdan sonra telsiz iletişim alanındaki eğilimler insandan-makinaya olarak adlandırılan veri taşıma odaklı telsiz iletişim teknolojilerine (3rd Generation, 3G) doğru yönelmiştir. Bu veri taşıma odaklı iletişim konsepti ile birlikte son kullanıcılar multi-media mesajlaşma, internet erişimi, e-ticaret ve video paylaşımı gibi çok çeşitli telsiz iletişim servislerine kavuşma imkanı buldular. Telsiz iletişimdeki başarılı ve hızlı ilerlemenin bir sonucu olarak günümüzde bu alanda yapılan araştırma-geliştirme çalışmalarının yönü yüksek veri iletim hızları (>100Mb/s) ve daha yüksek bant-verimliliği (>10b/s) gerektiren makineden-makineye (Mactine-to-Machine, M2M) telsiz iletişime doğru yönelmiş bulunmaktadır. M2M telsiz iletişiminde bir araştırma/uygulama alanı araçtan-nesnelere (Vehicle-to-things, V2X) haberleşmedir. Araçtan araca (Vehicle-to-Vehicle, V2V) ve araçtan yol kenarındaki baz istasyonuna (Vehicle-to-Infrastructure, V2I) olmak üzere iki haberleşme sistemini birlikte içeren V2X haberleşme sistemleri günümüzde özellikle büyük metropollerde günlük hayatı pek çok yönden olumsuz etkileyen trafik kaynaklı problemlere karşı getirdiği çözüm önerileri nedeniyle üniversitlerde teorik çalışmalar yapan araştırmacıların yanı sıra, resmi kurumların, standartları belirleyen organizasyonların ve özellille otomotiv ve bilişim endüstrisindeki şirketlerin gittikçe artan dikkatini çekmeyi başarmıştır. Araçlar arası haberleşme teknolojilerinin gelişimine ivme kazandıran önemli gelişmelere bakılacak olursa; 1999 yılında ABD’de Federal Communication Comission (FCC) 5.9GHz frekans bandında 75MHz’lik bir frekans bandının V2X haberleşme için kullanımını onaylamıştır. 2008 yılında ise Avrupa haberleşme standardları enstitüsü (European Telecommunication Standards Institute) yine 5.9GHz frekans bandında 30Mhz’lik bir bandın bu amaçla kullanılmasını önermiştir. FCC’nin 2003 yılında ITS (Intelligent Transportation Systems) uygulamalarında kullanılacak haberleşme birimleri için yayımladığı rapor ve talebin ardından DSRC (Dedicated Short Range Communication) olarak adlandırılan V2X haberleşme sistemlerinin standardizasyonu için çalışmalar başlamış ve 2004 yılında IEEE 802.11standardı temel alınarak geliştirilen IEEE 802.11p standardı WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments) olarak da bilinen adıyla 2010 yılında kabul edilmiştir. Bugün artık pek çok üniversitede çeşitli araştırma grupları V2X haberleşme üzerine akademik çalışmalar yürütürken endüstriyel seviyede ise Avrupa’da örneğin büyük ölçekli Avrupa Birliği projeleri olarak CAR2CAR Communication Corsortium, Secure Vehicular Communication ve NEARCTIS yürütülmektedir. Amerika’da ise ulaştırma bakanlığının desteklediği IntelliDrive projesi ile güvenlik, mobil iletişim ve çevre koruma amaçlı hedefler doğrultusunda trafik altyapısı, araçlar ve yolcuların mobil haberleşme cihazları arasında haberleşmeyi sağlayacak bir telsiz iletişim ağı alt yapısı kurma çalışmaları sürdürülmektedir. Benzer çalışmalar Japon Otomobil Teknolojileri Araştırma Enstitüsü JARI tarafından da yapılmaktadır. Yine V2V haberleşmenin trafik güvenliğini arttırmadaki öneminin anlaşılmasından sonra lider otomobil üreticisi firmalar “Crash Avoidance Metrics Partnership” adını verdikleri proje için ortak çatı altında biraraya gelmişlerdir. Kısaca belirtilmek istenirse, telsiz iletişim alanında V2X haberleşme yeni ama oldukça önemli bir çalışma alanı olarak görülmektedir. Günümüz telsiz haberleşme teknolojilerinden biri olan araçtan araca haberleşme, trafik verimliliğini arttırma, kazaların azaltılması ve trafikte güvenli sürüş konulara çözümler sağlayacak akıllı taşıma sistemlerinin gerçeklenmesinde çekirdek teknoloji konumundadır. Hücresel haberleşme ile karşılaştırıldığında, V2V haberleşme bazı yeni zorlukları içerir. V2V haberleşme kanallarının istatistiksel özellikleri hücresel telsiz haberleşme kanallarının istatistiksel özelliklerinden farklıdır. Bu nedenle, Rayleigh, Rician ve Nakagami-m gibi iyi bilinen hücresel haberleşme kanal modelleri V2V haberleşme kanallarındaki sönümlemeyi modellemek için uygun değildir. Yapılan saha ölçümlerinden görüldüğü üzere, V2V haberleşme kanallarında kanal kazancı, hareketli kaynaklar etrafında, her biri ayrı bir işaret kaynağı gibi davranan birbirinden bağımsız saçıcı gupların oluşturduğu sanal kanalların kanal kazançlarının çarpımından meydana gelmektedir. Kanal kazancının bu çarpımsallık niteliğinden dolayı V2V haberleşme kanalları kaskad sönümlemeli kanal modeli olarak adlandırılan bir grup kanal modeli ile modellenmelidirler. V2V haberleşmede karşılaşılan zorlukların bir nedeni, gerek haberleşen araçların gerekse onların etrafındaki diğer araçların yüksek hızlardaki hareketliliği nedeniyle haberleşme ortamının çevresel olarak çok hızlı değişmesidir. Bunun yanısıra araç antenlerinin görece düşük yükseklikte olmasının da etkisiyle, özellikle yerleşim birimleri içindeki yoğun trafik şartları düşünüldüğünde, haberleşen araçlar arasında çoğu zaman doğrudan görüş olmayacaktır. Bu da iletişimin sürekliliği ve güvenilirliği açısından işbirlikli haberleşmeyi kaçınılmaz kılmaktadır. Ancak doğrudan haberleşmeye nazaran daha fazla zaman dilimi gereksinimi işbirlikli sistemlerin temel dezavantajıdır. Veri iletim hızında kayba neden olan bu dezavantajı yok etmenin bir yolu, iki haberleşme biriminin aynı zaman aralığında aynı röle üzerinden veri aktarmasına imkan tanıyan fiziksel katman ağ kodlama (Physical Layer Network Coding, PLNC) tekniğidir. Ani gelişen durumların çok sayıda kullanıcıya kısa sürede bildirilmesini gerektirecek trafik içi haberleşmede PLNC tekniği yüksek başarımlı V2V haberleşme sistemlerinin tasarımında önemli bir rol oynayacaktır. Bu tezde sunulan çalışmalar üç grupta ele alınabilir. Birinci gruptaki ilk çalışmada tek antenli tek röleli ve röle üzerinde sabit kazançlı kuvvetlendir-ve-aktar tekniği kullanılarak PLNC yapılan bir işbirlikli V2V haberleşme sistemi tasarlanmıştır. Sistemin performans analizleri kaskad Nakagami-m kanal modeli varsayımı altında yapılmış olup bu kanal modeli, araçlar arası haberleşmeye uygun olan çift Rayleigh, kaskad Rayleigh, çift Nakagami-m ve genelleştirilmiş-K kanal modellerinin yanı sıra geleneksel hücresel haberleşme kanal modellerini de kapsamaktadır. Dolayısıyla bu çalışmada elde edilen sonuçlar bu kanal modelleri için de geçerlidir. Sistemin hata performans analizleri yapılırken öncelikle uçtan-uca işaret gürültü oranına ait birikimsel olasılık dağılım fonksiyonu kapalı formda elde edilmiş, ardından bu dağılım fonksiyonu kullanılarak sistemin servis kesinti olasılığı ve çeşitli modülasyon tipleri için sembol hata olasılığı ifadeleri kapalı formda bulunmuştur. Bu analizlerin bir devamı olarak, birinci grupta yapılan ikinci çalışmada ise, kaynaklarda öz-girişim işaretinin tam olarak yok edilemediği durumlar için yine tek antenli tek röleli rölede sabit kazançlı kuvvetlendir-ve-aktar tekniği kullanılarak PLNC yapılan sistemin performans analizi kaskad ve hızlı sönümlemeli Rayleigh kanal varsayımı altında yapılmış ve sisteme ait servis kesinti olasılığı ifadesi kapalı formda elde edilerek öz girişimin sistem performansına etkileri incelenmiştir. Tezde yer alan ikinci grup çalışmada, çok girişli çok çıkışlı (multiple input multiple output, MIMO) bir V2V haberleşme sistemi tasarlanmıştır. Sistemde birden çok röle olup kaynaklar ve tüm röleler çok antenlidir. Ayrıca röleler değişken kazançlı kuvvetlendir-ve-aktar tekniği uygulayarak PLNC yapmaktadır. Bu çalışmada da kaskad Nakagami-m kanal modeli kullanıldığından elde edilen sonuçlar yukarıda bahsedilen diğer kaskad veya kaskad olmayan kanal modelleri için de geçerlidir. Burada yapılan analizler ile tüm sistemin servis kesinti performansı kaynakların ortak servis kesinti olasılıkları cinsinden ifade edilerek bu olasılık tek katlı integral formunda bulunmuştur. Ardından servis kesinti olasılığı için alt ve üst sınır ifadeleri kapalı formda elde edilmiştir. Bulunan sınır ifadeleri aracılığıyla sistemde elde edilebilecek çeşitleme derecesi, röle sayısı, kaynak ve rölelerde kullanılan anten sayıları ve kanalların kaskadlık dereceleri ve sönümleme parametrelerinin aldığı değerlere bağlı olarak sistem parametreleri cinsinden ifade edilmiştir. Tasarlanan bu sistem ile ortak anten ve röle seçimi yapılarak V2V haberleşme sistemlerinin performansının daha da iyileştirilebileceği gösterilmiştir. Tezde yapılan üçüncü çalışmada PLNC yapılan bir çok antenli çok röleli V2V haberleşme sisteminde uzay-zaman kafes kodlama tekniği kullanılarak sistem performansının daha da iyileştirilmesi sağlanmıştır. Bu amaçla öncelikle sistemin çiftsel hata olasılığı için bir üst sınır ifadesi çift Rayleigh sönümlemeli kanal varsayımı için elde edilmiştir. Daha sonra bu olasılığı en küçük yapacak kodların inşaası için yeni bir kod tasarım ölçütü türetilmiş ve bu ölçüt kullanılarak çift Rayleigh sönümlemeli kanallarda PLNC tekniği kullanan MIMO V2V haberleşme sistemler için 4 ve 8 durumlu yeni uzay-zaman kafes kodları bulunmuştur.As a current state-of-the-art in wireless communications, Vehicle-to-Vehicle (V2V) communications is the core technology to build the intelligent transportation infrastructures promising the solutions to the issues such as traffic efficiency increasing, accident reduction and safety improvements. In comparison with the cellular wireless communication, there are some new challenges within the V2V communication. The statistical properties of the V2V communication channels differ from those of the cellular channels. Thereby, well known cellular channel models such as Rayleigh, Rician and Nakagami-m are not appropriate to simulate the fading in V2V communication channels. Field measurements reveal that V2V communication channels can be modeled by a class of channel models where the gain is obtained by multiplying the gains of virtual channels produced by each individual scattering group around that behaves as an independent signal source. Due to their multiplicativity nature, V2V communication channels are named as cascaded fading channels. A major challenge in V2V communications is that the physical environment is unsettled due to the mobility of the wireless units and other vehicles around these units. Additionally, the vehicle antennas have relatively lower heights. Therefore, especially considering the traffic in urban areas, most of the time there will be no line-of-sight between the communicating vehicles. This makes cooperative communications inevitable for seamless and reliable communication among the moving vehicles. And yet, compared to non-cooperative communication, the cooperation protocols require more time slots, which results in a decrease in data transmission rate. A method to cope with this drawback is physical layer network coding (PLNC) providing the simultaneous data transmissions of the vehicles via the same relay. The PLNC method will play an important role in the design of the high performance V2V communication systems serving in the heavy traffic conditions when a large number of users need to be notified about suddenly changing situations. Studies presented in this thesis can be divided into three categories. In the first category, a cooperative V2V communication system employing PLNC using fixed gain amplify-and-forward technique is proposed and its outage and error performance analysis is investigated. Analytic results are derived under the cascaded Nakagami-m fading channel model assumption covering double Rayleigh, cascaded Rayleigh, double Nakagami-m, generalized-K and conventional cellular channel models as well. Therefore, the results obtained by this work are also valid for all these channel models. In the error performance investigation of the proposed system, first, exact cumulative density function of the end to end signal to noise ratio is derived. Then, using this cumulative density function, the exact closed-form outage probability is obtained. Then the exact closed-form symbol error rate expression for various modulation types is derived. As a continuation of this work, the performance analysis of the same system is investigated for not only cascaded but also fast fading Rayleigh channels in the presence of the self-interference. Thus the exact closed-form outage probability expression is obtained, and it is shown that the self-interference may cause the error floor in the performance of the network coded communication systems. In the second category, a multiple input multiple output (MIMO) V2V communication system is proposed. In this proposed system, all source and relay vehicles have multiple antennas while the relays employ the PLNC method using variable gain amplify-and-forward technique. The analytic results are derived for the cascaded Nakagami-m fading channels, and therefore the result of this work are held for the cascaded and non-cascaded channels, as mentioned above. Furthermore, the performance of the system is evaluated in terms of joint outage probability of the sources, and the exact outage probability expression is obtained in a single integral form while the upper and the lower bounds of the outage probability are obtained in the closed-form. Moreover, asymptotic diversity order is quantified as a function of the number of the relays, the number of the antennas at the sources and the relays, and the channel parameters which are cascading degree and fading parameter values. Within this system, it is shown that the service outage probability performance can be enhanced by employing joint antenna and relay selection. In the third category, PLNC and space-time trellis coding (STTC) techniques are combined to improve the error performance of a multi-antenna multi-relay V2V system. The upper bound expression of the pairwise error probability of the system is evaluated for double Rayleigh fading channels. Then using the upper bound expression, a novel code-design criterion is derived for cascaded fading channels. Then, by using this new criterion, a novel STTCs with 4 and 8 states are proposed for MIMO V2V PLNC systems.DoktoraPh.D