PERFORMANCE OF FULL-DUPLEX AF RELAY SELECTION SYSTEMS OVER NAKAGAMI-M CHANNELS

Yıl 2017, Cilt: 19 Sayı: 57, 790 - 807, 01.09.2017

Asil Koç İbrahim Altunbaş

Öz

In this paper, outage performance of full-duplex amplifyand-forward relay selection systems under residual loop-interference over Nakagami-m fading channels is investigated. In order to investigate the performance of full-duplex relaying, five different relay selection policies are used in the proposed system. By using cumulative distribution function approach, the exact outage probability expressions are obtained in a single-integral form for each relay selection policies. The theoretical results are verified with Monte-Carlo simulations. The numerical results reveal that the best relay selection policy is the optimal relay selection policy which requires all channel state information. Additionally, lower-bound and asymptotic outage probability expressions are obtained in a closedform for each relay selection policies. The residual loop-interference at relay node limits the performance of system and creates error floors which can be determined easily by using the derived asymptotic expressions.*Sorumlu yazar: [e-mail] 1. Giriş Gelecek nesil telsiz iletişim sistemlerinde daha yüksek veri hızları, bant verimliliği ve servis kalitesini sağlayacak tekniklere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaç için önerilmiş olan işbirlikli iletişim tekniği, sağladığı kapasite artışı ve kapsama alanı genişlemesinin yanı sıra telsiz iletişim ortamında oluşan şiddetli sönümleme, gölgeleme ve yol kaybı etkilerinin üstesinden sağlamaktadır [1-4]. İşbirlikli iletişimde kaynak (verici) ve hedef (alıcı) düğümlerine ek olarak bulunan röle düğümlerinde yaygın olarak iki farklı aktarım kuvvetlendir-ve-aktar (Amplify-andForward, AF) ve çöz-ve-aktar (Decodeand-Forward, DF) [3]. AF aktarım tekniğinde röle düğümü aldığı işareti değişken [3] veya sabit [4] bir katsayı ile çarparak ilgili hedef düğümüne iletir. Ancak röle düğümünde geleneksel yarıçift-yönlü (Half-Duplex, HD) iletim kullanılırsa, toplam iletim süresi artacak ve bant verimliliği azalacaktır. Hem işbirlikli avantajlardan yararlanmak, hem de bant verimliliğinin azalmasını engellemek amacıyla (Full-Duplex, önerilmiştir [5-8]

Anahtar Kelimeler

Full-duplex relaying, Relay selection, Cooperative networks, Amplify-andforward, Outage probability, Nakagami–m.

TAM-ÇİFT-YÖNLÜ AF RÖLE SEÇİM SİSTEMLERİNİN NAKAGAMİ-M KANALLARDAKİ PERFORMANSI

Öz

Bu çalışmada tam-çift-yönlü kuvvetlendir-ve-aktar tekniğini
kullanan röle seçimli işbirlikli iletişim sistemlerin, artık öz-girişimin
varlığı altında, Nakagami-m kanallardaki kesinti performansı
incelenmiştir. Önerilen sistemde, tam-çift-yönlü aktarımın başarımını
geliştirmek için beş farklı röle seçim kriteri kullanılmaktadır. Tüm
röle seçim kriterleri için birikimli dağılım fonksiyonu yaklaşımı
kullanılarak, tam kesinti olasılığı tek katlı integral biçiminde
bulunmuştur. Elde edilen analitik sonuçlar, Monte-Carlo benzetimleri
ile doğrulanmıştır. Nümerik sonuçlar ile kesinti performansını en çok
geliştiren röle seçim kriterinin -tüm kanal durum bilgilerine ihtiyaç
duyan- en iyi röle seçim kriteri olduğu gösterilmiştir. Buna ek olarak,
yine tüm röle seçim kriterleri için, kesinti olasılığının kapalı formda
alt sınır ve asimptotik ifadeleri elde edilmiştir. Röle düğümünden
kaynaklanan artık öz-girişimin sistemin performansını kısıtladığı ve
hata sınırlarının oluştuğu gözlemlenmiş olup, hata sınırlarının elde
edilen asimptotik ifadeler ile kolayca belirlenebileceği gösterilmiştir

Anahtar Kelimeler

Özet: Bu çalışmada tam-çift-yönlü kuvvetlendir-ve-aktar tekniğini

Kaynakça

• J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, “Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior”, IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 50, no. 12, pp. 3062–3080, Dec. 2004.
• M. O. Hasna and M. S. Alouini, “End- to-end performance of transmission systems with relays over Rayleigh- fading channels”, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 2, no. 6, pp. 1126–1131, Nov. 2003.
• H. Li and Q. Zhao, “Distributed modulation for cooperative wireless communications”, Process. Mag., vol. 23, no. 5, pp. 30- 36, Sept. 2006. performance study of dual-hop transmissions with fixed gain relays” , IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 3, no. 6, pp. 1963– 1968, Nov. 2004
• H. Ju, E. Oh, and D. Hong, “Catching resource-devouring worms in next- generation wireless relay systems: Two-way relay and full-duplex relay”, IEEE Commun. Mag., vol. 47, no. 9, pp. 58–65, Sept. 2009.
• G. Liu, F. R. Yu, H. Ji, V. C. M. Leung, and X. Li, “In-band full-duplex relaying: A survey, research issues and challenges”, IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 17, no. 2, pp. 500– 524, Secondquarter 2015.
• T. Riihonen, S. Werner, and R. Wichman, “Optimized gain control for single-frequency relaying with loop interference”, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 8, no. 6, pp. 2801–2806, June 2009.
• Z. Zhang, K. Long, A. V. Vasilakos and L. Hanzo, “Full-Duplex Wireless Communications: Challenges, Solutions, and Future Research Directions”, Proc. IEEE, vol. 104, no. 7, pp. 1369-1409, July 2016.
• M. Duarte, C. Dick, and A. Sabharwal, “Experiment-driven characterization of full-duplex wireless systems”, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 11, no. 12, pp. 4296–4307, Dec. 2012.
• L. J. Rodriguez, N. H. Tran, and T. Le- Ngoc, “Optimal power allocation and capacity of full-duplex AF relaying under residual self-interference”, IEEE Wireless Commun. Lett., vol. 3, no. 2, pp. 233–236, Apr. 2014.
• D. P. M. Osorio, E. E. B. Olivo, H. Alves, J. C. S. S. Filho, and M. Latva- aho, “Exploiting the direct link in full-duplex amplify-and-forward relaying networks”, IEEE Signal Process. Lett., vol. 22, no. 10, pp. 1766–1770, Oct. 2015.
• Q. Wang, Y. Dong, X. Xu, and X. Tao, “Outage probability of full-duplex af relaying with processing delay and residual self-interference”, IEEE Commun. Lett., vol. 19, no. 5, pp. 783–786, May 2015.
• Z. Shi, S. Ma, F. Hou, and K. W. Tam, “Analysis on full duplex amplify- and-forward relay networks under Nakagami fading channels”, 2015 IEEE Global Commun. Conf. (GLOBECOM), Dec. 2015, pp. 1–6.
• T. Riihonen, S. Werner, and R. Wichman, “Hybrid full-duplex/half- duplex relaying with transmit power adaptation”, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 10, no. 9, pp. 3074–3085, Sept. 2011.
• J. S. Han, J. S. Baek, S. Jeon, and J. S. Seo, “Cooperative networks with amplify-and-forward multiple-full- duplex relays”, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 13, no. 4, pp. 2137– 2149, Apr. 2014.
• I. Krikidis, H. A. Suraweera, P. J. Smith, and C. Yuen, “Full-duplex relay selection for amplify-and- forward cooperative networks”, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 11, no. 12, pp. 4381–4393, Dec. 2012.
• K. Yang, H. Cui, L. Song, and Y. Li, “Efficient full-duplex relaying with joint antenna-relay selection and self-interference suppression”, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 14, no. 7, pp. 3991–4005, July 2015.
• A. Almradi and K. A. Hamdi, “MIMO Full-Duplex Relaying in the Presence of Co-Channel Interference”, IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 66, no. 6, pp. 4874- 4885, June 2017.
• H. Alves, R. D. Souza, D. B. da Costa and M. Latva-aho, “Full-Duplex Relaying Systems Subject to Co- Channel Interference and Noise in Nakagami-m Fading”, 2015 IEEE 81st Veh. Technol. Conf. (VTC Spring), Glasgow, Scotland, May, 2015.
• I. S. Gradshteyn and I. M. Ryzhik, Table of integrals, series, and products, 7th ed. Elsevier/Academic Press, Amsterdam, 2007. Kumbhani [21] B. and R. S. Kshetrimayum, “Outage probability analysis of spatial modulation systems with antenna selection,” Electronics Lett., vol. 50, no. 2, pp. 125–126, Jan. 2014.