Performance Analysis of full-duplex relaying Networks: an Application in 5G

Abstract

This dissertation deals with the wireless full-duplex relaying networks where the relay node is employed with energy harvesting (EH) capability. First, various communication and harvesting protocols are investigated, including amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) for relaying strategies, and time-switching (TSR) and power-splitting (PSR) for EH. In particular, I provide the derived closed-form expressions describing key performance factors, including outage probability (OP), throughput, Ergodic capacity, and study the impact of configuration parameters such as channel conditions, transmit power, energy harvesting protocol parameters, etc. on the overall system performance. Secondly, this dissertation aims to study the impact of antenna configurations on the outage probability and throughput, which are two key performance factors of EH-based wireless full-duplex relaying networks. Regarding antenna configurations for EH, two configurations for antennas at the relay node are considered, namely, using single-antenna configuration or two-antenna configuration for collecting the energy from source nodes, while only one antenna is used to forward the information signal to the destination. To further enhance the system performance, multiple-input multiple-output (MIMO) communication scheme is also considered in my dissertation, especially, three diverse techniques, i.e., Zero Forcing at Transmitter (TZF), Zero Forcing at Receiver (RZF), and Maximal Ratio Combining (MRC), which are employed to strengthen the performance of MIMO system. Finally, this dissertation deals with the performance analyses of the energy harvesting based full-duplex relay networks for various transmission modes including instantaneous, delay-limited and delay-tolerant transmissions. Specifically, the outage probability and the throughput for the proposed system as the functions of all system parameters such as the position of relay nodes, the data transmission rate, the noise at the source and relay as well as the energy conversion factor are derived. Based on the analyses, optimal energy harvesting parameters and best communication strategy for the presented model are proposed. All analytical results are validated by Monte Carlo simulations.

Tato dizertaˇcní práce se zabývá bezdrátovými plnˇe duplexními relay sítˇemi, kde je užíván relay uzel se schopností získávat energii z okolí, dále jako EH (Energy harvesting). Nejprve jsou zkoumány r °uzné komunikaˇcní a EH protokoly, vˇcetnˇe amplify-and-forward (AF) a decode-and-forward (DF) pro strategie pˇredávání a time-switching (TSR) a power-splitting (PSR) pro získávání energie. Zejména poskytuji odvozená vyjádˇrení v uzavˇrené formˇe popisující klíˇcové výkonnostní charakteristiky vˇc. pravdˇepodobnosti výpadku (OP), propustnosti, ergodické kapacity a studii vlivu konfiguraˇcních parametr °u jako jsou podmínky kanálu, vysílací výkon, parametry EH protokol °u atd. na výkonnost systému. Dále si tato disertaˇcní práce klade za cíl prozkoumat dopad konfigurací antén na propustnost a pravdˇepodobnost výpadku pˇrenosu zpráv, což jsou dva klíˇcové faktory bezdrátových plnˇe duplexních relay sítí založených na EH. Pokud jde o konfiguraci antény pro EH, uvažují se dvˇe konfigurace antén v uzlu relé, a to použití s jednou anténou nebo konfigurace s dvˇema anténami pro získávání energie ze zdrojových uzl ° u, zatímco k odeslání informace do cíle je používána jedna. Pro další zvýšení výkonu systému je v mé disertaˇcní práci uvažováno také komunikaˇcní schéma s více vstupy a více výstupy (MIMO), zejména tˇri r °uzné techniky TZF (Zero Forcing at Transmitte), RZF (Zero Forcing at Receiver) a nakonec MRC (Maximal Ratio Combining), které se používají ke zvýšení výkonu systému MIMO. Nakonec se tato dizertace zabývá výkonnostními analýzami r °uzných pˇrenosových režim °u plnˇe duplexních realy sítí založených na EH, a to pro pˇrenosy okamžité, limitované zpoždˇením a tolerantní ke zpoždˇení. Konkrétnˇe je odvozena pravdˇepodobnost výpadku pˇrenosu zpráv a propustnost pro navržený systém pomocí funkce všech systémových parametr °u jako je napˇr. umístˇení uzl ° u, pˇrenosová rychlost, šum zdroje a relay uzlu a rovnˇež také faktor pˇremˇeny energie. Na základˇe analýz jsou navrženy optimální EH parametry a nejlepší komunikaˇcní strategie pro pˇredložený model. Všechny analytické výsledky jsou validovány simulacemi metodou Monte Carlo.