KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.8
no.2
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pp.389-405
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2014
Outdated Channel State Information (CSI) was proved to have negative effect on performance in two-way relay networks. The diversity order of widely used opportunistic relay selection (ORS) was degraded to unity in networks with outdated CSI. This paper proposed a multiple relay selection scheme for amplify-and-forward (AF) based two-way relay networks (TWRN) with outdated CSI. In this scheme, two sources exchange information through more than one relays. We firstly select N best relays out of all candidate relays with respect to signal-noise ratio (SNR). Then, the ratios of the SNRs on the rest of the candidate relays to that of the Nth highest SNR are tested against a normalized threshold ${\mu}{\in}[0,1]$, and only those relays passing this test are selected in addition to the N best relays. Expressions of outage probability, average bit error rate (BER) and ergodic channel capacity were obtained in closed-form for the proposed scheme. Numerical results and Simulations verified our theoretical analyses, and showed that the proposed scheme had significant gains comparing with conventional ORS.
The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science
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v.21
no.7
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pp.815-822
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2010
Two-way relaying scheme based on relay selection can not only achieve higher rate but also get the selection diversity gain according to the number of relays. However the scheme can not achieve combining gain because it does not consider the direct link between users. In this paper, we propose, with multiple relays, opportunistic cooperative two-way relaying scheme and incremental cooperative two-way relaying scheme which can achieve both selection diversity gain and combining gain. Simulation results show that proposed scheme outperform the conventional scheme by achieving both combining gain and selection diversity gain according to the number of relays.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.15
no.1
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pp.365-382
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2021
This paper proposes a novel two-way relaying (TWR) approach for a two-relay wireless network based on non-orthogonal multiple access (NOMA), where two terminals exchange messages with a cellular base station (BS) via two intermediate relay stations (RSs). We propose a NOMA-based TWR approach with two relaying schemes, i.e., amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF), referred to as NOMA-AF and NOMA-DF. The sum-rate performance of our proposed NOMA-AF and NOMA-DF is analyzed. A closed-form sum-rate upper bound for the NOMA-AF is obtained, and the exact ergodic sum-rate of NOMA-DF is also derived. The asymptotic sum-rate of NOMA-AF and NOMA-DF is also analyzed. Simulation results show that the proposed scheme outperforms conventional orthogonal multiple access based transmission schemes. It is also shown that increasing the transmit power budget of the relays only cannot always improve the sum-rates.
In this paper, we propose a new relay selection algorithm for a two-way multiple relay channel. In the two-way multiple relay channel, two users exchange information with each other via multiple relays. The relays use a decode-and-forward or amplify-and-forward protocol, and exploit the combining process of the received packets to reduce the required channel resources. In the multiple relay network, diversity gain is achieved as the number of relays increases, and various schemes are proposed. In this paper, we propose a single best relay selection scheme based on instantaneous channel conditions. First of all, relays obtain the instantaneous channel state information in the handshaking process, and a single best relay is selected in a distributed methods prior to data transmissions. The relay selection metric is proposed so that the end-to-end channel condition is evaluated based on the intantaneous channel state informations. Simulation results show that the proposed relay selection algorithm achieve the increased throughput and diversity order when the number of potential relays is increased.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.10
no.2
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pp.593-607
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2016
This paper analyzes interference alignment in the two-way relay network with compute-and-forward in both single relay and multiple relays networks. The advantages of compute-and-forward over other relaying strategies are that it can relay only linear combinations of the useful signals and remove the noise. The algorithm proposed in this paper adopts the criterion of maximum SINR to derive the pre-coding matrix. The experimental results show that the performance of interference alignment in two-way relay channel via compute-and-forward is better than that of amplify-and-forward, and the total sum rate in the two-way multiple relay networks is larger than that in the two-way single relay networks.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.8
no.3
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pp.890-910
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2014
This paper investigates the spectrum hole utilization of cooperative schemes for the two-way relaying model in order to improve the utilization efficiency of limited spectrum holes in cognitive radio networks with imperfect spectrum sensing. We propose two specific bidirectional secondary data transmission (BSDT) schemes with two-step and three-step two-way relaying models, i.e., two-BSDT and three-BSDT schemes, where the spectrum sensing and the secondary data transmission are jointly designed. In the proposed cooperative schemes, the best two-way relay channel between two secondary users is selected from a group of secondary users serving as cognitive relays and assists the bi-directional communication between the two secondary users without a direct link. The closed-form asymptotic expressions for outage probabilities of the two schemes are derived with a primary user protection constraint over Rayleigh fading channels. Based on the derived outage probabilities, the spectrum hole utilization is calculated to evaluate the percentage of spectrum holes used by the two secondary users for their successful information exchange without channel outage. Numerical results show that the spectrum hole utilization depends on the spectrum sensing overhead and the channel gain from a primary user to secondary users. Additionally, we compare the spectrum hole utilization of the two schemes as the varying of secondary signal to noise ratio, the number of cognitive relays, and symmetric and asymmetric channels.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.13
no.12
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pp.5862-5887
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2019
In this paper, we propose a two-way relaying scheme using non-orthogonal multiple access (NOMA) technology. In this scheme, two sources transmit packets with each other under the assistance of the decode-and-forward (DF) relays, called as a TWDFNOMA protocol. The cooperative relays exploit successive interference cancellation (SIC) technique to decode sequentially the data packets from received summation signals, and then use the digital network coding (DNC) technique to encrypt received data from two sources. A max-min criterion of end-to-end signal-to-interference-plus-noise ratios (SINRs) is used to select a best relay in the proposed TWDFNOMA protocol. Outage probabilities are analyzed to achieve exact closed-form expressions and then, the system performance of the proposed TWDFNOMA protocol is evaluated by these probabilities. Simulation and analysis results discover that the system performance of the proposed TWDFNOMA protocol is improved when compared with a conventional three-timeslot two-way relaying scheme using DNC (denoted as a TWDNC protocol), a four-timeslot two-way relaying scheme without using DNC (denoted as a TWNDNC protocol) and a two-timeslot two-way relaying scheme with amplify-and-forward operations (denoted as a TWANC protocol). Particularly, the proposed TWDFNOMA protocol achieves best performances at two optimal locations of the best relay whereas the midpoint one is the optimal location of the TWDNC and TWNDNC protocols. Finally, the probability analyses are justified by executing Monte Carlo simulations.
The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication
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v.13
no.4
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pp.193-200
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2013
Recently, network coding has been actively studied to increase the spectral efficiency of two-way relay wireless channels such as cellular systems as well as broadcasting systems. In this paper, we derive the average transmission capacity and the outage probability of a network coding system, which utilizes two-way data transmission via the best relay rather than multiple relays. Since the data unbalance between the forward and the reverse link in two-way communication systems exists, we include the asymmetric link as well as the symmetric link in the analysis. It is noticed that the space diversity gain increases as the increase of the number of relays. Also we obtain 11.4 dB signal-to-noise ratio (SNR) gain with 9 relays compared to that with single relay in symmetrical link at the given conditions. In asymmetrical links, we denotes that the outage probability is more sensitive to the number of relays rather than data unbalance between the links.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.7
no.6
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pp.1418-1432
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2013
This paper studies the problem of secure information exchange between two sources via multiple relays in the presence of an eavesdropper. To this end, we propose a relay beamforming scheme, i.e., relay beamforming with artificial noise (RBwA), where the relay beamforming vector and the artificial noise vector are jointly designed to maintain the received signal-to-interference-ratio (SINR) at the two sources over a predefined Quality of Service (QoS) threshold while limiting the received SINR at the eavesdropper under a predefined secure threshold. For comparison, the relay beamforming without artificial noise (RBoA) is also considered. We formulate two optimization problems for the two schemes, where our goal is to seek the optimal beamforming vector to minimize the total power consumed by relay nodes such that the secrecy of the information exchange between the two sources can be protected. Since both optimization problems are nonconvex, we solve them by semidefinite program (SDP) relaxation theory. Simulation results show that, via beamforming design, physical layer secrecy of two-way relay networks can be greatly improved and our proposed RBwA outperforms the RBoA in terms of both low power consumption and low infeasibility rate.
Fan, Zhangjun;Guo, Daoxing;Zhang, Bangning;Zeng, Li
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.6
no.12
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pp.3275-3295
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2012
In this paper, we analyze the performance of an amplify-and-forward (AF) two-way relaying system, where two sources exchange information via the aid of an intermediate relay that is selected among multiple relays according to max-min criterion. We consider a practical scenario, where one source-relay link undergoes Rician fading, and the other source-relay link is subject to Rayleigh fading. To be specific, we derive a tight lower bound for the outage probability. From this lower bound, the asymptotic outage probability and average symbol error rate (SER) expressions are derived to gain insight into the system performance at high signal-to-noise ratio (SNR) region. Furthermore, we investigate the optimal power allocation (PA) with fixed relay location (RL), optimal RL with fixed PA and joint optimization of PA and RL to minimize the outage probability and average SER. The analytical expressions are verified through Monte Carlo simulations, where the positive impact of Rician factor on the system performance is also illustrated. Simulation results also validate the effectiveness of the proposed PA and relay positioning schemes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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