The bi-directional relay channel is the natural extension of a three-terminal relay channel where node a transmits to node b with the help of a relay r to allow for two-way communication between nodes a and b. That is, in a bi-directional relay channel, a and b wish to exchange independent messages over a shared channel with the help of a relay r. The rates at which this communication may reliably take place depend on the assumptions made on the relay processing abilities. We overview information theoretic limits of the bi-directional relay channel under a variety of conditions, before focusing on half-duplex nodes in which communication takes place in a number of temporal phases (resulting in protocols), and nodes may forward messages in four manners. The relay-forwarding considered are: Amplify and forward (AF), decode and forward (DF), compress and forward (CF), and mixed forward. The last scheme is a combination of CF in one direction and DF in the other. We derive inner and outer bounds to the capacity region of the bi-directional relay channel for three temporal protocols under these four relaying schemes. The first protocol is a two phase protocol where a and b simultaneously transmit during the first phase and the relay r alone transmits during the second. The second protocol considers sequential transmissions from a and b followed by a transmission from the relay while the third protocol is a hybrid of the first two protocols and has four phases. We provide a comprehensive treatment of protocols in Gaussian noise, obtaining their respective achievable rate regions, outer bounds, and their relative performance under different SNR and relay geometries.
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.49
no.12
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pp.10-19
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2012
In this paper, we propose an Adaptive Modulation and Coding (AMC) scheme using relay protocols generally known as Relay Node (RN). The AMC scheme is used for improving the throughput and a reliability of a communication system, because of the nature of different modulation and coding schemes. We analyze the performance of relay protocols with the AMC scheme and observed that relay protocols with the AMC scheme is capable of providing better average throughput at a lower Signal to Noise Ratio (SNR) level as compared to the conventional scheme with no AMC. We perform Monte Carlo simulations with Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) parameters to prove the performance comparison of adaptive Modulation and Coding Scheme (MCS) relay protocols with the non-adaptive MCS relay protocols. The simulation results of the proposed system with adaptive MCS prove that among the Amplify-and-Forward (AF), Decode-and-Forward (DF) and DeModulate-and-Forward (DMF), the DMF protocol performs best at a lower SNR value and also provides better average throughput.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.10
no.1
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pp.152-167
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2016
This paper investigates the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) for two-hop orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) decode-and-forward (DF) relay network, where a relay harvests energy from radio frequency signals transmitted by a source and then uses the harvested energy to assist information transmission from the source to its destination. The power splitting receiver is considered at the relay. To explore the performance limit of such a SWIPT-enabled system, a resource allocation (RA) optimization problem is formulated to maximize the achievable information rate of the system, where the power allocation, the subcarrier pairing and the power splitting factor are jointly optimized. As the problem is non-convex and there is no known solution method, we first decompose it into two separate subproblems and then design an efficient RA algorithm. Simulation results demonstrate that our proposed algorithm can achieve the maximum achievable rate of the system and also show that to achieve a better system performance, the relay node should be deployed near the source in the SWIPT-enabled two-hop OFDM DF relay system, which is very different from that in conventional non-SWIPT system where the relay should be deployed at the midpoint of the line between the source and the destination.
In this work, the secrecy of a typical wireless cooperative dual-hop non-orthogonal multiple access (NOMA)-enabled decode-and-forward (DF) relay network is investigated with the impact of collaborative and non-collaborative eavesdropping. The system model consists of a source that broadcasts the multiplexed signal to two NOMA users via a DF relay, and information security against the eavesdropper nodes is provided by a helpful jammer. The performance metric is secrecy rate and ergodic secrecy capacity is approximated analytically. In addition, a differential evolution algorithm-based power allocation scheme is proposed to find the optimal power allocation factors for relay, jammer, and NOMA users by employing different jamming schemes. Furthermore, the secrecy rate analysis is validated at the NOMA users by adopting different jamming schemes such as without jamming (WJ) or conventional relaying, jamming (J), and with control jamming (CJ). Simulation results demonstrate the superiority of CJ over the J and WJ schemes. Finally, the proposed power allocation outperforms the fixed power allocation under all conditions considered in this work.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.14
no.10
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pp.4231-4245
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2020
Non-orthogonal multiple access (NOMA) is widely studied in both academia and industry due to its high spectral efficiency over orthogonal multiple access (OMA). To effectively improve spectrum efficiency, an amplify-and-forward (AF) cooperative NOMA system is proposed as well as a novel detection scheme is proposed, in which we first perform successive interference cancellation (SIC) twice at U1 for the two signals received from two time slots to remove interference from symbol 2, then two new signals apply max ratio combining (MRC). In addition, a closed-form upper bound approximation for the ergodic capacity of our proposed system is derived. Monte-Carlo simulations and numerical analysis illustrate that our proposed system has better ergodic capacity performance than the conventional cooperative NOMA system with decode-forward (DF) relay, the conventional cooperative NOMA system with AF relay and the proposed AF cooperative NOMA system in [16]. In addition, we can see that ergodic capacity of all NOMA cooperative systems increase with the increase of transmit SNR. Finally, simulations display that power allocation coefficients have little effect on ergodic capacity of all NOMA cooperative systems. This is due to this fact that ergodic capacity of two symbols can be complementary with changing of power allocation coefficients.
Cooperative transmission protocols are always designed to achieve the largest diversity gain and the network capacity simultaneously. The concept of diversity-multiplexing tradeoff (DMT) in multiple input multiple output (MIMO) systems has been extended to this field. However, DMT constrains a better understanding of the asymptotic interplay between transmission rate, outage probability (OP) and signal-to-noise ratio. Another formulation called the throughput-reliability tradeoff (TRT) was then proposed to avoid such a limitation. By this new rule, Azarian and Gamal well elucidated the asymptotic trends exhibited by the OP curves in block-fading MIMO channels. Meanwhile they doubted whether the new rule can be used in more general channels and protocols. In this paper, we will prove that it does hold true in decode-and-forward cooperative protocols. We deduce the theoretic OP curves predicted by TRT and demonstrate by simulations that the OP curves will asymptotically overlap with the theoretic curves predicted by TRT.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.35
no.1A
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pp.1-9
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2010
This paper offers performance analysis of selection decode and forward (DF) networks with differential modulation/demodulation for an arbitrary number of relays in independent but not identically distributed Rayleigh fading channels. We have shown that the selection DF protocol with differential modulation can achieve full diversity in both independent identically distributed (i.i.d.) and independent but not identically distributed (i.n.d.) Rayleigh fading channels, and the performance loss due to using non-coherent detection is not substantial. Furthermore, we study the impact of combining techniques on the performance of the system by comparing a system that uses selection combining (SC) to one that uses maximum ratio combining (MRC). Simulations are performed and show that they match exactly with analytic ones in high SNR regime.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.10
no.5
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pp.2047-2066
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2016
In this paper, we investigate joint power allocation and relay selection (PARS) schemes in non-orthogonal cooperative protocol (NOCP) based cognitive relay networks. Generally, NOCP outperforms the orthogonal cooperative protocol (OCP), since it can provide more transmit diversity. However, most existing PARS schemes in cognitive relay networks focus on OCP, which are not suitable for NOCP. In the context of NOCP, we first derive the joint constraints of transmit power limit for secondary user (SU) and interference constraint for primary user (PU). Then we formulate optimization problems under the aforementioned constraints to maximize the capacity of SU in amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) modes, respectively. Correspondingly, we derive the closed form solutions with respect to different parameters. Numerical results are provided to verify the performance improvement of the proposed PARS schemes.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.9
no.10
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pp.3908-3920
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2015
In this paper, performance analysis of full-duplex (FD) relay selection under decode-and-forward (DF) relaying mode is carried out by taking into account several critical factors, including the distributions of the received signal-to-noise ratio (SNR) and the outage probability of wireless links. The tradeoff between the FD and half-duplex (HD) modes for relay selection techniques is also analyzed, where the former suffers from the impact of residual self-interference, but the latter requires more channel resources than the former (i.e., two orthogonal channels are required). Furthermore, the impact of optimal power allocation (OPA) on the proposed relay-selection scheme is analyzed. Particularly, the exact closed-form expressions for outage probability of the proposed scheme over Rayleigh fading channels are derived, followed by validating the proposed analysis using simulation. Numerical results show that the proposed FD based scheme outperforms the HD based scheme by more than 4 dB in terms of coding gain, provided that the residual self-interference level in the FD mode can be substantially suppressed to the level that is below the noise power.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.11
no.1
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pp.102-122
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2017
Nanotechnology has provided a set of tools that the engineers can use to design and manufacture integrated nano devices, which are capable of performing sensing, computing, data storing and actuation. One of the main hurdles for nano devices has been the amount of power that it can generate for transmission of data. In this paper, we proposed cooperative nano communication in the Terahertz (THz) Gap frequency band to increase the range of transmission. Outage probability (OP) performances for the proposed cooperative nano communication networks in the THz band (0.1 - 10THz) have been evaluated for the following scenarios; A) A single decode-and-forward (DF) relay over independent identically distributed (i.i.d.) Rayleigh fading channels, B) DF multi-relay network with best relay selection (BRS) over i.i.d. Rayleigh fading channels, and C) DF multi-relay network with multiple hops with BRS over i.i.d. Rayleigh fading channels. The results show that the transmission distance can be improved significantly by employing DF relays. Also, it is shown that by increasing the number of hops in a relay the OP performance is marginally degraded. The analytical results have been verified by Monte-Carlo simulation.
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