KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.18
no.7
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pp.2047-2066
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2024
In order to improve the coverage and achieve massive spectrum access, non-orthogonal multiple access (NOMA) technology is applied in millimeter wave massive multiple-input multiple-output (mMIMO) communication network. However, the power assumption of active sensors greatly limits its wide applications. Recently, Intelligent Reconfigurable Surface (IRS) technology has received wide attention due to its ability to reduce power consumption and achieve passive transmission. In this paper, spectral efficiency maximum problem in the millimeter wave mMIMO-NOMA system with IRS is considered. The sparse RF chain antenna structure is designed at the base station based on continuous phase modulation. Furthermore, a joint optimization problem for power allocation, power splitting, analog precoding and IRS reconfigurable matrices are constructed, which aim to achieve the maximum spectral efficiency of the system under the constraints of user's quality of service, minimum energy harvesting and total transmit power. A three-stage iterative algorithm is proposed to solve the above mentioned non-convex optimization problems. We obtain the local optimal solution by fixing some optimization parameters firstly, then introduce the relaxation variables to realize the global optimal solution. Simulation results show that the spectral efficiency of the proposed scheme is superior compared to the conventional system with phase shifter modulation. It is also demonstrated that IRS can effectively assist mmWave communication and improve the system spectral efficiency.
Cooperative diversity protocols have attracted a great deal of attention since they are thought to be capable of providing diversity multiplexing tradeoff among single antenna wireless devices. In the high signal-to-noise ratio (SNR) region, cooperation is rarely required; hence, the spectral efficiency of the cooperative protocol can be improved by applying a proper cooperation selection technique. In this paper, we present a simple "cooperation selection" technique based on instantaneous channel measurement to improve the spectral efficiency of cooperative protocols. We show that the same instantaneous channel measurement can also be used for relay selection. In this paper two protocols are proposed-proactive and reactive; the selection of one of these protocols depends on whether the decision of cooperation selection is made before or after the transmission of the source. These protocols can successfully select cooperation along with the best relay from a set of available M relays. If the instantaneous source-to-destination channel is strong enough to support the system requirements, then the source simply transmits to the destination as a noncooperative direct transmission; otherwise, a cooperative transmission with the help of the selected best relay is chosen by the system. Analysis and simulation results show that these protocols can achieve higher order diversity with improved spectral efficiency, i.e., a higher diversity-multiplexing tradeoff in a slow-fading environment.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.12
no.6
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pp.2697-2710
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2018
Owing to the development of Internet of Things (IoT), the fifth-generation (5G) wireless communication is going to foresee a substantial increase of mobile traffic demand. Energy efficiency and spectral efficiency are the challenges in a 5G network. Non-orthogonal multiple access (NOMA) is a promising technique to increase the system efficiency by adaptive power control (PC) in a 5G network. This paper proposes an efficient PC scheme based on evolutionary game theory (EGT) model for uplink power-domain NOMA system. The proposed PC scheme allows users to adaptively adjusts their transmit power level in order to improve their payoffs or throughput which results in an increase of the system efficiency. In order to separate the user signals, a successive interference cancellation (SIC) receiver installed at the base station (BS) site. The simulation results demonstrate that the proposed EGT-based PC scheme outperforms the traditional game theory-based PC schemes and orthogonal multiple access (OMA) in terms of energy efficiency and spectral efficiency.
Zhang, Wenli;Tian, Fengchun;Zhao, Zhenzhen;Song, An;Zhang, Li
Current Optics and Photonics
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v.1
no.4
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pp.295-307
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2017
An innovative system for the alternative continuous wide spectral spatial heterodyne spectrometer (ACWS-SHS) is proposed. The relationship between the ACWS-SHS and the wide spectral spatial heterodyne spectrometer (WS-SHS) at the resolution limit, the spectral range, the grating diffraction efficiency and the interference fringes contrast ratio has been analyzed theoretically. Through the comparison of the theoretical analysis and simulation results, it is found that the two systems for the WS-SHS and the ACWS-SHS have the same resolution limit and spectral range, which are ${\delta}{\sigma}$ and ${\sigma}_{01}$, while in the ACWS-SHS system the critical diffraction efficiency of echelle grating is 68.39% and the critical contrast ratio of interference fringes is 0.4135, which is much better than the performance of the WS-SHS system. Therefore, the ACWS-SHS reduces the high requirements for the precision of equipment and expands the application field of SHS effectively.
In this paper, we analyze the algorithm of the methodology developed by ITU for the calculation of spectrum requirements of IMT-Advanced. We propose an approach to estimate user density using traffic statistics, and to estimate spectrum efficiencies using carrier-to-interference ratio distribution and capacity theory as well as experimental data under Korean mobile communication environments. We calculate the IMT-Advanced spectrum requirements based on the user density and spectral efficiencies acquired from the new method. In the case of spectral efficiency using higher modulation and coding schemes, the spectrum requirement of IMT-Advanced is approximately 2700 MHz. When applying a $2{\times}2$ multiple-input multiple-output (MIMO) antenna system, it is approximately 1500 MHz; when applying a $4{\times}4$ MIMO antenna system, it is approximately 1050 MHz. Considering that the development of new technology will increase spectrum efficiency in the future, the spectrum requirement of IMT-Advanced in the Korean mobile communication environment is expected to be approximately 1 GHz bandwidth.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.6
no.1
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pp.322-340
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2012
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is usually regarded as a spectral efficient multicarrier modulation technique, yet it suffers from a high peak-to-average power ratio (PAPR) problem. Among all the existing PAPR reduction techniques in OFDM systems, side information based PAPR reduction techniques such as partial transmit sequence (PTS) and selective mapping (SLM) schemes, have attracted the most attention. However, the transmission of side information results in somewhat spectral loss and this does not significantly improve the bit error rate (BER) performance. Parallel combinatory (PC) OFDM yields higher spectral efficiency (SE) and better BER performance on Gaussian channels,while is a little but not obvious PAPR improvement over the ordinary OFDM system. This investigation aimed to design a 'perfect' OFDM system. We introduce the side information to rotate the subcarrier phases of our novel PC-OFDM system structure, and call this new system the SIPC(Side information based Parallel Combinatory)-OFDM system. The proposed system achieves better PAPR and SE performance. In addition, considering the tradeoff of system parameters, the proposed system also has the properties of a higher BER.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.12
no.8
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pp.4006-4020
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2018
In recent years, one of the most remarkable 5G technologies is massive multiple-input and multiple-output (MIMO) system which increases spectral efficiency by deploying a large number of transmit-antennas (eg. tens or hundreds transmit-antennas) at base station (BS). However, conventional massive MIMO system using single-polarized (SP) transmit-antennas increases the size of the transmit-array proportionally as the number of transmit-antennas increases. Hence, size reduction of large-scale transmit-array is one of the major concerns of massive MIMO system. To reduce the size of the transmit-array at BS, dual-polarized (DP) transmit-antenna can be the solution to halve the size of the transmit-array since one collocated DP transmit-antenna deploys vertical and horizontal transmit-antennas compared to SP transmit-antennas. Moreover, proposed DP massive MIMO system increases the spectral efficiency by not only in the space domain but also in the polarization domain whereas the conventional SP massive MIMO system increases the spectral efficiency by space domain only. In this paper, the comparative performance of DP and SP massive MIMO systems is analyzed by space division multiple access (SDMA) and space-polarization division multiple access (SPDMA) respectively. To analyze the performance of DP and SP massive MIMO systems, DP and SP spatial channel models (SCMs) are proposed which consider depolarized propagation channels between transmitter and receiver. The simulation results show that the performance of proposed 32 transmitter (Tx) DP massive MIMO system improves the spectral efficiency by about 91% for a large number of user equipments (UEs) compare to 32Tx SP massive MIMO system for identical size of the transmit-array.
The mmWave cell-free massive MIMO (CFmMIMO), combining the advantages of wide bandwidth in the mmWave frequency band and the high- and uniform-spectral efficiency of CFmMIMO, has recently emerged as one of the enabling technologies for 6G. In this paper, we propose a novel framework for energy-efficient mmWave CFmMIMO systems that uses low-resolution digital-analog converters (DACs) and phase shifters (PSs) to introduce lowcomplexity hybrid precoding. Additionally, we propose a heuristic pilot allocation scheme that makes the best effort to slash some interference from copilot users. The simulation results show that the proposed hybrid precoding and pilot allocation scheme outperforms the existing schemes. Furthermore, we reveal the relationship between the energy and spectral efficiencies for the proposed mmWave CFmMIMO system by modeling the whole network power consumption and observe that the introduction of low-resolution DACs and PSs is effective in increasing the energy efficiency by compromising the spectral efficiency and the network power consumption.
In this study, an airborne alpha detection system, which consists of a passivated implanted planar silicon (PIPS) detector and an air filter, was developed. A collimator applied to the alpha detection system showed an enhancement in resolution and a degradation in detection efficiency. The resolution and detection efficiency were compared and analyzed to evaluate the performance of the collimator. Thus, the resolution was found to be more important than the efficiency as a determining factor of the detection system performance, from the viewpoint of radionuclide identification. The performance was evaluated on three properties of the collimator: hole shape, hole length, and the ratio between the hole and frame pitches. From the hole shape performance evaluation, a hexagonal collimator showed the highest resolution. Further, the collimator with a hole pitch of 14 mm was found to have the highest resolution while that with a frame pitch of 4-6 mm (i.e., 1.2-1.4 times longer than the hole pitch) showed the highest resolution.
Energy efficiency is one of the most critical concerns for wireless sensor networks. By allowing sensor nodes in close proximity to cooperate in transmission to form a virtual multiple-input multiple-output(MIMO) system, recent progress in wireless MIMO communications can be exploited to boost the system throughput, or equivalently reduce the energy consumption for the same throughput and BER target. However, these cooperative transmission strategies may incur additional energy cost and system overhead. In this paper, assuming that data collectors are equipped with antenna arrays and superior processing capability, energy efficiency of relevant traditional and cooperative transmission strategies: Single-input-multiple-output(SIMO), space-time block coding(STBC), and spatial multiplexing(SM) are studied. Analysis in the wideband regime reveals that, while receive diversity introduces significant improvement in both energy efficiency and spectral efficiency, further improvement due to the transmit diversity of STBC is limited, as opposed to the superiority of the SM scheme especially for non-trivial spectral efficiency. These observations are further confirmed in our analysis of more realistic systems with limited bandwidth, finite constellation sizes, and a target error rate. Based on this analysis, general guidelines are presented for optimal transmission strategy selection in system level and link level, aiming at minimum energy consumption while meeting different requirements. The proposed selection rules, especially those based on system-level metrics, are easy to implement for sensor applications. The framework provided here may also be readily extended to other scenarios or applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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