Relay Selection for Bidirectional AF Relay Network with Outdated CSI

Most previous researches on bidirectional relay selection (RS) typically assume perfect channel state information (CSI). However, outdated CSI, caused by the the time-variation of channel, cannot be ignored in the practical system, and it will deteriorate the performance. In this paper, the effect of outdated CSI on the performance of bidirectional amplify-and-forward RS is investigated. The optimal single RS scheme in minimizing the symbol error rate (SER) is revised by incorporating the outdated channels. The analytical expressions of end-to-end signal to noise ratio (SNR) and symbol error rate (SER) are derived in a closed-form, along with the asymptotic SER expression in high SNR. All the analytical expressions are verified by the Monte-Carlo simulations. The analytical and the simulation results reveal that once CSI is outdated, the diversity order degrades to one from full diversity. Furthermore, a multiple RS scheme is proposed and verified that this scheme is a feasible solution to compensate the diversity loss caused by outdated CSI.Comment: accepted by IEEE Transactions on Vehicular Technolog

Efficient Transmission in Multiantenna Two-Way AF Relaying Networks

In this paper, an efficient transmission scheme, termed the joint antenna selection and data exchange (AS-DE) scheme, is proposed for a two-way amplify-and-forward relaying network, where two single-antenna source terminals exchange information via a multiantenna relay station. For the proposed scheme, the best antenna at the relay for each source terminal is first selected separately, following the max-max scheme. Then, from the set of the previously selected antennas, either one antenna is selected, in a similar fashion as well-known max-min and max-sum schemes, or two antennas exchange their respective received signals, which are then coded, amplified, and broadcasted to the source and destination terminals. Tight lower and upper bounds on the outage probability (OP) for the proposed scheme have been derived assuming independent and identically distributed Rayleigh fading channels. Furthermore, our analysis reveals that the proposed joint AS-DE scheme can achieve full diversity. Finally, it is shown that under the same resource constraints, i.e., in terms of the number of the utilized time slots and transmit power, the proposed joint AS-DE scheme outperforms the max-min, the max-sum, and the max-max schemes. Extensive numerical results accompanied with computer simulations, are further provided to validate the developed analytical results

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

Energy efficient planning and operation models for wireless cellular networks

Prospective demands of next-generation wireless networks are ambitious and will require cellular networks to support 1000 times higher data rates and 10 times lower round-trip latency. While this data deluge is a natural outcome of the increasing number of mobile devices with data hungry applications and the internet of things (IoT), the low latency demand is required by the future interactive applications such as tactile internet , virtual and enhanced reality, and online internet gaming, etc. The motivation behind this thesis is to meet the increasing quality of service (QoS) demands in wireless communications and reduce the global carbon footprint at the same time. To achieve these goals, energy efficient planning and operations models for wireless cellular networks are proposed and analyzed. Firstly, a solution based on the overlay cognitive radio (CR) along with cooperative relaying is proposed to reduce the effect of the scarcity problem of the radio spectrum. In overlay technique, the primary users (PUs) cooperate with cognitive users (CUs) for mutual benefits. The achievable cognitive rate of two-way relaying (TWR) system assisted by multiple antennas is proposed. Compared to traditional relaying where the transmission to exchange two different messages between two sources takes place in four time slots, using TWR, the required number of transmission slots reduces to two slots. In the first slot, both sources transmit their signals simultaneously to the relay. Then, during the second slot the relay broadcasts its signal to the sources. Using an overlay CR technique, the CUs are allowed to allocate part of the PUs\u27 spectrum to perform their cognitive transmission. In return, acting as amplify-and-forward (AF) TWR, the CUs are exploited to support PUs to reach their target data rates over the remaining bandwidth. A meta-heuristic approach based on particle swarm optimization algorithm is proposed to find a near optimal resource allocation in addition to the relay amplification matrix gains. Then, we investigate a multiple relay selection scheme for energy harvesting (EH)-based on TWR system. All the relays are considered as EH nodes that harvest energy from renewable and radio frequency sources, where the relays forward the information to the sources. The power-splitting protocol, in which the receiver splits the input radio frequency signal into two components: one for information transmission and the other for energy harvesting, is adopted at the relay side. An approximate optimization framework based on geometric programming is established in a convex form to find near optimal PS ratios, the relays’ transmission power, and the selected relays in order to maximize the total rate utility over multiple time slots. Different utility metrics are considered and analyzed depending on the level of fairness. Secondly, a downlink resource and energy management approach for heterogeneous networks (HetNets) is proposed, where all base stations (BSs) are equipped to harvest energy from renewable energy (RE) sources. A hybrid power supply of green (renewable) and traditional micro-grid, such that the traditional micro-grid is not exploited as long as the BSs can meet their power demands from harvested and stored green energy. Furthermore, a dynamic BS switching ON/OFF combined with the EH model, where some BSs are turned off due to the low traffic periods and their stored energy in order to harvest more energy and help efficiently during the high traffic periods. A binary linear programming (BLP) optimization problem is formulated and solved optimally to minimize the network-wide energy consumption subject to users\u27 certain quality of service and BSs\u27 power consumption constraints. Moreover, green communication algorithms are implemented to solve the problem with low complexity time. Lastly, an energy management framework for cellular HetNets supported by dynamic drone small cells is proposed. A three-tier HetNet composed of a macrocell BS, micro cell BSs (MBSs), and solar powered drone small cell BSs are deployed to serve the networks\u27 subscribers. In addition to the RE, the drones can power their batteries via a charging station located at the macrocell BS site. Pre-planned locations are identified by the mobile operator for possible drones\u27 placement. The objective of this framework is to jointly determine the optimal locations of the drones in addition to the MBSs that can be safely turned off in order to minimize the daily energy consumption of the network. The framework takes also into account the cells\u27 capacities and the QoS level defined by the minimum required receiving power. A BLP problem is formulated to optimally determine the network status during a time-slotted horizon

Energy E fficiency Oriented Full Duplex Wireless Communication Systems

Full-duplex (FD) transmission is a promising technique for fifth generation (5G) wireless communications, enabling significant spectral efficiency (SE) improvement over existing half-duplex (HD) systems. However, FD transmission consumes higher power than HD transmission, especially for millimetre wave band. Therefore, energy efficiency (EE) for FD systems is a critical yet inadequately addressed issue. This thesis addresses the critical EE challenges and demonstrates promising solutions for implementing FD systems, as detailed in the following contributions. In the first contribution, a comprehensive EE analysis of the FD and HD amplify-and-forward (AF) relay-assisted 60 GHz dual-hop indoor wireless systems is presented. An opportunistic relay mode selection scheme is developed, where FD relay with different self-interference (SIC) techniques or HD relay is opportunistically selected. Together with transmission power adaptation, EE is maximised with given channel gains. A counter-intuitive finding is shown that, with a relatively loose maximum transmission power constraint, FD relay with two-stage SIC is preferable to both FD relay with one-stage SIC and HD relay, resulting in a higher optimised EE. A full range of power consumption sources are considered to rationalise the analysis. The effects of imperfect SIC at relay, drain efficiency and static circuit power on EE are investigated. Simulation results verify the theoretical analysis. In the second contribution, EE oriented resource allocation for FD decode-of-forward (DF) relay-assisted 60 GHz multiuser systems is investigated. In contrast to the existing SE oriented designs, the proposed scheme maximises EE for FD relay systems under cross-layer constraints, addressing the typical problems at 60 GHz. A low-complexity EE-orientated resource allocation algorithm is proposed, by which the transmission power allocation, subcarrier allocation and throughput assignment are performed jointly across multiple users. Simulation results verify the analytical results and confirm that the FD relay systems with the proposed algorithm achieve a higher EE than the FD relay systems with SE oriented approaches, while offering a comparable SE. In addition, a much lower throughput outage probability is guaranteed by the proposed resource allocation algorithm, showing its robustness against channel estimation errors. In the third contribution, it is noticed that in wireless power transfer (WPT)-aided relay systems, the SE of the source-relay link plays a dominant role in the system SE due to limited transmission power at the WPT-aided relay. A novel asymmetric protocol for WPT-aided FD DF relay systems is proposed in multiuser scenario, where the time slot durations of the two hops are designed to be uneven, to enhance the degree of freedom and hence the system SE. A corresponding dynamic resource allocation algorithm is developed by jointly optimising the time slot durations, subcarriers and transmission power at the source and the relay. Simulation results con rm that, compared to the symmetric WPT-aided FD relay (Sym-WPT-FR) and the time-switching based WPT-aided FD relay (TS-WPT-FR) systems in the literature, the proposed asymmetric WPT-aided FD relay system achieves up to twice the SE and higher robustness against the relay's location and the number of users. In the final contribution, to strike the balance between high SE and low power consumption, a hybrid duplexing strategy is developed for distributed antennas (DAs) systems, where antennas are capable of working in hybrid FD, HD, and sleeping modes. To maximise the system EE with low complexity, activation/deactivation of transmit/receive chain is first performed, by a proposed channel-gain-based DA clustering algorithm, which highlights the characteristics of distributed deployment of antennas. Based on the DAs' con figuration, a novel distributed hybrid duplexing (D-HD)-based and EE oriented algorithm is proposed to further optimise the downlink beamformer and the uplink transmission power. To rationalise the system model, self-interference at DAs, co-channel interference from uplink users to downlink users, and multiuser interference in both uplink and downlink are taken into account. Simulation results confirm that the proposed system provides significant EE and SE enhancements over the colocated FD MIMO system, showing the advantages in alleviating high path loss as well as in cutting the carbon footprint. Compared to the sole-FD DA system, the proposed system shows much higher EE with marginal loss in SE. Also, the SIC operation in the proposed system is much more simplified compared to the two benchmarks