KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.11
no.3
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pp.1279-1300
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2017
In the interweave cognitive networks, the interference from the primary user degrades the performance of the cognitive user transmissions. In this paper, we propose an adaptive cooperation scheme in the interweave cognitive networks to improve the performance of the cognitive user transmissions. In the proposed scheme for the bidirectional communication of two end-source cognitive users, the bidirectional communication is completed through the non-relay direct transmission, the one-way relaying cooperation transmission, and the two-way relaying cooperation transmission depending on the limited feedback from the end-sources. For the performance analysis of the proposed scheme, we derive the outage probability and the finite-SNR diversity multiplexing tradeoff (f-DMT) in a closed form, considering the imperfect spectrum sensing, the interference from the primary user, and the power allocation between the relay and the end-sources. The results show that compared with the direct transmissions (DT), the pure one-way relaying transmissions (POWRT), and the pure two-way relaying transmissions (PTWRT), the proposed scheme has better outage performance. In terms of the f-DMT, the proposed scheme outperforms the full cooperation transmissions of the POWRT and PTWRT.
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.4
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pp.1961-1974
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2019
In this letter, a harmonic-mean-based dual-antenna selection scheme at relay node is proposed in two-way relaying networks (TWRNs). With well-designed distributed orthogonal concatenated Alamouti space-time block code (STBC), a dual-antenna selection problem based on the instantaneous achievable sum-rate criterion is formulated. We propose a low-complexity selection algorithm based on the harmonic-mean criterion with linearly complexity $O(N_R)$ rather than the directly exhaustive search with complexity $O(N^2_R)$. From the analysis of network outage performance, we show that the asymptotic diversity gain function of the proposed scheme achieves as $1/{\rho}{^{N_R-1}}$, which demonstrates one degree loss of diversity order compared with the full diversity. This slight performance gap is mainly caused by sacrificing some dual-antenna selection freedom to reduce the algorithm complexity. In addition, our proposed scheme can obtain an extra coding gain because of the combination of the well-designed orthogonal concatenated Alamouti STBC and the corresponding dual-antenna selection algorithm. Compared with the common-used selection algorithms in the state of the art, the proposed scheme can achieve the best performance, which is validated by numerical simulations.
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.
Park, Jae-Cheol;Song, Iick-Ho;Lee, Sung-Ro;Kim, Yun-Hee
Journal of Communications and Networks
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v.13
no.3
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pp.250-256
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2011
A two-way relaying (TWR) system is analyzed, where two source terminals with unequal numbers of antennas exchange data via an amplify-and-forward relay terminal with a single antenna. In the system considered herein, the link quality between the sources and relay can generally be asymmetric due to the nonidentical antenna configuration, power allocation, and relay location. In such a general setup, accurate bounds on the average sum rate (ASR) are derived when beamforming or orthogonal space time block coding is employed at the sources. We show that the proposed bounds are almost indistinguishable from the exact ASR under various system configurations. It is also observed that the ASR performance of the TWR system with unequal numbers of source antennas is more sensitive to the relay location than to the power allocation.
Kim, Young-Tae;Lee, Kwangwon;Jeon, Youngil;Lee, Inkyu
Journal of Communications and Networks
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v.17
no.5
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pp.463-472
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2015
This paper considers a limited feedback system for two-way wireless relaying channels with physical network coding (PNC). For full feedback systems, the optimal structure with the PNC has already been studied where a modulo operation is employed. In this case, phase and power of two end node channels are adjusted to maximize the minimum distance. Based on this result, we design new quantization methods for the phase and the power in the limited feedback system. By investigating the minimum distance of the received constellation, we present a code-book design to maximize the worst minimum distance. Especially, for quantization of the power for 16-QAM, a new power quantization scheme is proposed to maximize the performance. Also, utilizing the characteristics of the minimum distance observed in our codebook design, we present a power allocation method which does not require any feedback information. Simulation results confirm that our proposed scheme outperforms conventional systems with reduced complexity.
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.
The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication
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v.13
no.3
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pp.47-53
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2013
In this paper, we propose an incremental cooperative transmission protocol in two-way underlay cognitive radio networks. In the proposed protocol, two secondary sources attempt to transmit their packet to each other with help of a secondary relay under interference constraint. For performance evaluation, we derive exact closed-form expressions of average outage probability over Rayleigh fading channel. Then, we perform Monte Carlo simulations to verify the derivations. Results present that the simulation and theoretical results are in good agreement and the outage performance of the proposed protocol is better than that of two-way direct transmission protocol.
This paper investigates the performance of interference-limited two-way transmission protocols in the Rayleigh fading channels. New lower bound of outage probability and approximate expression of bit error rate (BER) for three-phase two-way relaying (3P-TWR) protocol are derived in closed-form. These expressions are valid for arbitrary signal-to-noise ratio values, numbers of co-channel interferers and amajority of modulation formats employed in the practical system. Then a comparative study is developed for the performance of three two-way transmission protocols, i.e., direct transmission (DT) protocol, two-phase two-way relaying (2P-TWR) protocol and 3P-TWR protocol based on the asymptotic expressions of outage probability and BER. On the basis of the theoretical results, the thresholds on the strength (variance) of direct channel and target rate for the relative performance of different protocols are obtained and the effect of interferences at the terminal and relay on the relative performance is analyzed. The results present key insights on how to choose proper two-way transmission protocol with the knowledge of fading channels, required date rate and modulation format to optimize the system performance in the practical interference-limited scenarios. Simulation results are presented to validate the theoretical analysis.
The denoising mapping with the closest-neighbor clustering (CNC) method in denoise-and-forward two-way relay channels is studied. Specifically, the symmetry of the constellations in source terminals A and B is utilized to reduce the complexity of the CNC method. The specific case considered first to illustrate how the constellation symmetry works in the CNC method is the quadrature phase-shift keying constellation in A and B and the single-antenna deployment in all terminals. This case study shows that an enormous complexity reduction can be achieved. Next, the result is extended to multiple-antenna scenarios and square quadrature amplitude modulations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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