This paper considers a cooperative orthogonal frequency division multiple access (OFDMA)-based cognitive radio network where the primary system leases some of its subchannels to the secondary system for a fraction of time in exchange for the secondary users (SUs) assisting the transmission of primary users (PUs) as relays. Our aim is to determine the cooperation strategies among the primary and secondary systems so as to maximize the sum-rate of SUs while maintaining quality-of-service (QoS) requirements of PUs. We formulate a joint optimization problem of PU transmission mode selection, SU (or relay) selection, subcarrier assignment, power control, and time allocation. By applying dual method, this mixed integer programming problem is decomposed into parallel per-subcarrier subproblems, with each determining the cooperation strategy between one PU and one SU. We show that, on each leased subcarrier, the optimal strategy is to let a SU exclusively act as a relay or transmit for itself. This result is fundamentally different from the conventional spectrum leasing in single-channel systems where a SU must transmit a fraction of time for itself if it helps the PU's transmission. We then propose a subgradient-based algorithm to find the asymptotically optimal solution to the primal problem in polynomial time. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm can significantly enhance the network performance.
This study addresses the effects of channel estimation error and mutual interference between licensed and unlicensed systems on outage performance of reactive relay selection in unlicensed systems over independent non-identical (i.n.i) Rayleigh fading channels and under both the maximum transmit power constraint and primary outage constraint. Toward this end, power allocation for unlicensed users is first recommended to satisfy both constraints and account for channel estimation error and mutual interference. Then, we derive an exact closed-form outage probability representation for unlicensed systems to quickly evaluate this effect in key operation parameters. Various results corroborate the derived expressions and provide useful insights into system performance.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.8
no.2
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pp.618-633
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2014
Relay technology is becoming more important for mobile communications and wireless internet of things (IoT) networking because of the extended access network coverage range and reliable quality of service (QoS) it can provide at low power consumption levels. Existing mobile multihop relay (MMR) technology uses fixed-point stationary relay stations (RSs) and a divided time-frame (or frequency-band) to support the relay operation. This approach has limitations when a local fixed-point stationary RS does not exist. In addition, since the time-frame (or frequency-band) channel resources are pre-divided for the relay operation, there is no way to achieve high channel utilization using intelligent opportunistic techniques. In this paper, a different approach is considered, where the use of mobile/IoT devices as RSs is considered. In applications that use mobile/IoT devices as relay systems, due to the very limited battery energy of a mobile/IoT device and unequal channel conditions to and from the RS, both minimum energy consumption and QoS support must be considered simultaneously in the selection and configuration of RSs. Therefore, in this paper, a mobile RS is selected and configured with the objective of minimizing power consumption while satisfying end-to-end data rate and bit error rate (BER) requirements. For the RS, both downlink (DL) to the destination system (DS) (i.e., IoT device or user equipment (UE)) and uplink (UL) to the base station (BS) need to be adaptively configured (using adaptive modulation and power control) to minimize power consumption while satisfying the end-to-end QoS constraints. This paper proposes a minimum transmission power consuming RS selection and configuration (MPRSC) scheme, where the RS uses cognitive radio (CR) sub-channels when communicating with the DS, and therefore the scheme is named MPRSC-CR. The proposed MPRSC-CR scheme is activated when a DS moves out of the BS's QoS supportive coverage range. In this case, data transmissions between the RS and BS use the assigned primary channel that the DS had been using, and data transmissions between the RS and DS use CR sub-channels. The simulation results demonstrate that the proposed MPRSC-CR scheme extends the coverage range of the BS and minimizes the power consumption of the RS through optimal selection and configuration of a RS.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.33
no.9A
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pp.853-866
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2008
In this paper, a multi-hop relaying transmission scheme is analyzed regarding its feasibility and potentiality in the IEEE 802.22-based cognitive radio (CR) environment. Shortly, basic design issues are addressed such as relay station (RS) deployment and a frame structure of physical channel to escape inter-hop interference. This paper mainly develops a radio resource management scheme based on spectrum sensing results aggregated from CR secondary nodes and improves the opportunistic spectrum sharing efficiency. In particular, a decision rule about a channel availability is made using a distributed sensing method. Subsequently, spectrum allocation and routing path decision procedures are proposed to establish a link from source to destination with a hop-by-hop manner. Simulation results show that the proposed multi-hop relaying scheme is substantially profitable in CR environments if the number of hops and RS deployment are designed in such a way that the spectrum sharing gain is larger than spectrum division loss which is inherently induced in multi-hop relaying systems.
The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication
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v.14
no.1
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pp.179-187
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2014
The underlay protocol is a cognitive radio method in which secondary or cognitive users use the same frequency without affecting the quality of service (QoS) for the primary users. In addition, because of the broadcast characteristics of the wireless environment, some nodes, which are called eavesdropper nodes, want to illegally receive information that is intended for other communication links. Hence, Physical Layer Security is applied considering the achievable secrecy rate (ASR) to prevent this from happening. In this paper, a performance analysis of the amplify-and-forward scheme under an interference constraint and Physical Layer Security is investigated in the cooperative communication mode. In this model, the relays use an amplify-and- forward method to help transmit signals from a source to a destination. The best relay is chosen using an opportunistic relay selection method, which is based on the end-to-end ASR. The system performance is evaluated in terms of the outage probability of the ASR. The lower and upper bounds of this probability, based on the global statistical channel state information (CSI), are derived in closed form. Our simulation results show that the system performance improves when the distances from the relays to the eavesdropper are larger than the distances from the relays to the destination, and the cognitive network is far enough from the primary user.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea TC
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v.46
no.4
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pp.29-39
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2009
The need for radio spectrum is recently considered as a huge hurdle towards the rapid development of wireless networks. Large parts of the spectrum are allocated to licensed radio services in proprietary way. However, enormous success of the wireless services and technologies in the unlicensed bands has brought new ideas and innovations. In recent years cognitive radio has gained much attention for solving the spectrum scarcity problem. It changes the way spectrum is regulated so that more efficient spectrum utilization is possible. Multi-hop relay technology on the other hand has intensively been studied in the area of ad hoc and peer-to-peer networks. But in cellular network, only recently the integration of multi-hop capability is considered to enhance the performance significantly. Multi-hop relaying can extend the coverage of the cell to provide high data rate service to a greater distance and in the shadowed regions. Very few papers still exist that combine these methods to maximize the spectrum utilization. Thus we propose a network architecture combining these two technologies in a way to maximize the system throughput. We present the throughput capacity equations for the proposed system model considering various system parameters like utilization factor by the primary users and primary users' transmission radius and through extensive numerical simulations we analyze the significance of work.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.34
no.3A
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pp.235-243
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2009
In this paper, we investigate the cognitive and cooperative communication scheme to improve the spectral efficiency in multiuser OFDMA systems using wireless relays. First, we propose the frame structure in which the efficient frequency reuse scheme with the cognitive technique is performed to increase the system throughput. And in the case where the THP (Tomlinson-Harashima preceding) is used for the elimination of interference from the relay, we derive the effective signal to noise ratio of the link largely affected by the channel quantization error. From the system level simulation results, it is shown that the proposed cognitive and cooperative communication scheme increases the overall system performance including the feedback overhead.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.4
no.3
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pp.273-288
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2010
In this paper, we propose a cooperative multi-relay scheme for a secondary system to achieve spectrum access along with a primary system. In the primary network, a primary transmitter (PT) transmits the primary signal to a primary receiver (PR). In the secondary network, N secondary transmitter-receiver pairs (ST-SR) selected by a centralized control unit (CCU) are ready to assist the primary network. In particular, in the first time slot, PT broadcasts the primary signal to PR, which is also received by STs and SRs. At STs, the primary signal is regenerated and linearly combined with the secondary signal by assigning fractions of the available power to the primary and secondary signals respectively. The combined signal is then broadcasted by STs in a predetermined order. In order to achieve diversity gain, STs, SRs and PT will combine received replicas of the primary signal, using selection combining technique (SC). We derive the exact outage probability for the primary network as well as the secondary network. The simulation results are presented to verify the theoretical analyses.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea TC
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v.46
no.6
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pp.11-18
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2009
In this paper, a hierarchical link allocation algorithm between mobile stations (MSs) and the corresponding base station (BS) by an optimal utilization of relay stations (RSs) is proposed to improve throughput of RS systems. In the proposed hierarchical algorithm, each RS operates cognitive radio functions to sense the degree of satisfaction in the quality of services (QoSs) and then selects the candidate set of MSs to have links with the RS. Such information is reported to the BS, where an auction process is performed to get an optimal allocation of communication links between the MSs and the BS. To maximize system throughput, the proposed auction algorithm is conducted upon bidding prices of communication links, considering both the co-channel interference (CCI) information shared among adjacent cells and the QoS enhancement information for each MS collected from RSs. The BS then switches the communication links of the auction winner MSs through the corresponding RS. The computer simulation shows that the proposed algorithm enhances the user QoS more than the conventional algorithm, especially for RS systems with more users requiring higher QoS. The proposed algorithm has also been proved to have more robust performance than the conventional one when the traffic load is higher and the CCI becomes stronger.
This article proposes a spectrum sharing method which can avoid the mutual interference in both primary and secondary systems. The two systems make them a priority to use two single-dimension orthogonal signals, the real and imaginary pulse amplitude modulation signals, if the primary system is not in outage with this use. A secondary transmitter is selected to be the primary relay and the active secondary source to perform this. This allows a simultaneous spectrum access without any mutual interference. Otherwise, the primary system attempts to use a full two-dimensional signal, the quadrature amplitude modulation signal. If there is no outage with respect to this use, the secondary spectrum access is not allowed. When both of the previous attempts fail, the secondary system is allowed to freely use the spectrum two whole time slots. The analysis and simulation are provided to analyze the outage performance and they validate the considerable improvement of the proposed method as compared to the conventional one.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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