A decode-and-forward two-way relay system benefits from orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and relay transmission. In this paper, we consider a decode-and-forward two-way relay system over OFDMwith two strategies: A joint subcarrier matching algorithm and a power allocation algorithm operating with a total power constraint for all subcarriers. The two strategies are studied based on average capacity using numerical analysis by uniformly allocating power constraints for each subcarrier matching group. An optimal subcarrier matching algorithm is proposed to match subcarriers in order of channel power gain for both transmission sides. Power allocation is defined based on equally distributing the capacity of each hop in each matching group. Afterward, a modified water-filling algorithm is also considered to allocate the power among all matching groups in order to increase the overall capacity of the network. Finally, Monte Carlo simulations are completed to confirm the numerical results and show the advantages of the joint subcarrier matching, power allocation and water filling algorithms, respectively.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.5
no.9
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pp.1513-1527
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2011
This paper investigates the capacity rate problems for a joint decode-and-forward (JDF) based two-way relaying with network coding. We first characterize the achievable rate region for a conventional three-node network scenario along with the calculation of the corresponding maximal sum-rate. Then, for the goal of maximizing the system sum-rate, opportunistic relay selection is examined for multi-relay networks. As a result, a novel strategy for the implementation of relay selection is proposed, which depends on the instantaneous channel state and allows a single best relay to help the two-way information exchange. The JDF scheme and the scheme using relay selection are analyzed in terms of outage probability, after which the corresponding exact expressions are developed over Rayleigh fading channels. For the purpose of comparison, outage probabilities of the amplify-and-forward (AF) scheme and those of the scheme using relay selection are also derived. Finally, simulation experiments are done and performance comparisons are conducted. The results verify that the proposed strategy is an appropriate method for the implementation of relay selection and can achieve significant performance gains in terms of outage probability regardless of the symmetry or asymmetry of the channels. Compared with the AF scheme and the scheme using relay selection, the conventional JDF scheme and that using relay selection perform well at low signal-to-noise ratios (SNRs).
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.6
no.11
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pp.3008-3025
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2012
In this paper, the downlink resource allocation of OFDMA system with decode-and-forward (DF) relaying is investigated. A non-convex optimization problem maximizing system throughput with users' satisfaction constraints is formulated with joint relay selection, subcarrier assignment and power allocation. We first transform it to a standard convex problem and then solve it by dual decomposition. In particular, an Optimal resource allocation scheme With Time-sharing (OWT) is proposed with combination of relay selection, subcarrier allocation and power control. Due to its poor adaption to the fast-varying environment, an improved version with subcarrier Monopolization (OWM) is put forward, whose performance promotes about 20% compared with that of OWT in the fast-varying vehicular environment. In fact, OWM is the special case of OWT with binary time-sharing factor and OWT can be seen as the tight upper bound of the OWM. To the best of our knowledge, such algorithms and their relation have not been accurately investigated in cooperative OFDMA networks in the literature. Simulation results show that both the system throughput and the users' satisfaction of the proposed algorithms outperform the traditional ones.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.10
no.5
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pp.1957-1975
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2016
The outage probability (OP) performance of multiple-relay-based incremental hybrid decode-amplify-forward (IHDAF) relaying mobile-to-mobile (M2M) networks with transmit antenna selection (TAS) over N-Nakagami fading channels is investigated in this paper. The closed-form expressions for approximate OP of the optimal and suboptimal TAS schemes are derived. The power allocation problem is formulated for performance optimization. Then the OP performance under different conditions is evaluated through numerical simulations to verify the analysis. The simulation results showed that optimal TAS scheme has a better OP performance than suboptimal TAS scheme; the power-allocation parameter has an important influence on the OP performance.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea TC
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v.49
no.6
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pp.15-26
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2012
In this paper, we perform interference cancellation in multiuser MIMO (Multiple Input Multiple Output) relay network with improved Amplify-and-Forward (AF) and Decode-and-Forward (DF) relay protocols. The work of interference cancellation is followed by evolved NodeB (eNB), Relay Node (RN) and User Equipment (UE) to improve the error performance of whole transmission system with the explicit use of relay node. In order to perform interference cancellation, we use Dirty Paper Coding (DPC) and Thomilson Harashima Precoding (THP) allied with detection techniques Zero Forcing (ZF), Minimum Mean Square Error (MMSE), Successive Interference Cancellation (SIC) and Ordered Successive Interference Cancellation (OSIC). These basic techniques are studied and improved in the proposal by using the functions of relay node. The performance is improved by Decode-and-Forward which enhance the cancellation of interference in two layers at the cooperative relay node. The interference cancellation using weighted vectors is performed between eNB and RN. In the final results of the research, we conclude that in contrast with the conventional algorithms, the proposed algorithm shows better performance in lower SNR regime. The simulation results show the considerable improvement in the bit error performance by the proposed scheme in the LTE-Advanced system.
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.14
no.1
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pp.1-19
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2020
In an underlay cognitive simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) network, communication from secondary user (SU) to secondary destination (SD) is accomplished with decode-and-forward (DF) relays. Multiple energy-constrained relays are assumed to harvest energy from SU via power splitting (PS) protocol and complete SU secure information transmission with beamforming. Hence, physical layer security (PLS) is investigated in cognitive SWIPT network. In order to interfere with eavesdropper and improve relay's energy efficiency, a destination-assisted jamming scheme is proposed. Namely, SD transmits artificial noise (AN) to interfere with eavesdropping, while jamming signal can also provide harvested energy to relays. Beamforming vector and power splitting ratio are jointly optimized with the objective of SU secrecy capacity maximization. We solve this non-convex optimization problem via a general two-stage procedure. Firstly, we obtain the optimal beamforming vector through semi-definite relaxation (SDR) method with a fixed power splitting ratio. Secondly, the best power splitting ratio can be obtained by one-dimensional search. We provide simulation results to verify the proposed solution. Simulation results show that the scheme achieves the maximum SD secrecy rate with appropriate selection of power splitting ratio, and the proposed scheme guarantees security in cognitive SWIPT networks.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.11
no.12
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pp.5803-5819
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2017
In this paper, we proposed a contract theory based cooperative spectrum sharing scheme with joint power and bandwidth optimization under asymmetric information, where the primary user (PU) does not know the secondary users' (SUs) private information. To improve performance, PU needs to provide incentives to stimulate nearby SUs to help forward its signal. By using contract theory, PU and SUs' negotiations are modeled as a labor market. PU and SUs act as the employer and employees, respectively. Specifically, SUs provide labor (i.e. the relay power, which can be used for forwarding PU's signal) in exchange for the reward (i.e. the spectrum access bandwidth which can be used for transmitting their own signals). PU needs to overcome a challenge how to balance the relationship between contributions and incentives for the SUs. We study the optimal contract design which consists of relay power and spectrum access bandwidth allocation. We show that the most efficient SUs will be hired by the PU to attend the cooperative communication. PU can achieve the same maximum utility as in the symmetric information scenario. Simulation results confirm that the utility of PU is significantly enhanced with our proposed cooperative spectrum sharing scheme.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.7
no.2
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pp.288-307
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2013
This paper formulates resource allocation for decode-and-forward (DF) relay assisted multi-cell orthogonal frequency division multiple (OFDM) networks as an optimization problem taking into account of inter-cell interference and users fairness. To maximize the transmit rate of system we propose a joint interference coordination, subcarrier and power allocation algorithm. To reduce the complexity, this semi-distributed algorithm divides the primal optimization into three sub-optimization problems, which transforms the mixed binary nonlinear programming problem (BNLP) into standard convex optimization problems. The first layer optimization problem is used to get the optimal subcarrier distribution index. The second is to solve the problem that how to allocate power optimally in a certain subcarrier distribution order. Based on the concept of equivalent channel gain (ECG) we transform the max-min function into standard closed expression. Subsequently, with the aid of dual decomposition, water-filling theorem and iterative power allocation algorithm the optimal solution of the original problem can be got with acceptable complexity. The third sub-problem considers dynamic co-channel interference caused by adjacent cells and redistributes resources to achieve the goal of maximizing system throughput. Finally, simulation results are provided to corroborate the proposed algorithm.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea TC
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v.46
no.6
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pp.94-102
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2009
In [1], the authors have proposed a novel scheme to achieve full diversity and to combat the time delays from each relay node, but decode-and-forward (DF) model operation mode puts more processing burden on the relay. In this paper, we not only extend their model into amplify and forward (AF) model proposed in [2],[3], but also propose an efficient decoding algorithm, which is able to order the joint channel coefficients of overall channel consisting of source-relay link and relay-destination link and cancels the previous decoded symbols at the next decoding procedure. The simulation results show that this algorithm efficiently improves its performance achieving 2-3dB gain compared to [1] in high SNR region and also useful to DF achieving more than 3dB gain compared to an original algorithm.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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