بررسی و تحلیل کارایی سیستم‌های ارتباط مشارکتی رله‌ای تقویت و ارسال با انتخاب بهترین رله به همراه اشتراک‌گذاری طیف در سیستم‌های رادیوشناختی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق - دانشگاه شهید بهشتی

چکیده

در این مقاله به تحلیل و ارزیابی کارایی دو سیستم اشتراک‌گذاری طیف رادیوشناختی مشارکتی مبتنی بر رله‌ی انتخابی پرداخته می‌شود. در این سیستم‌ها یک کاربر ثانویه (بدون مجوز)، طیف کاربر اولیه‌ای (مجوزدار) را بطور مشترک استفاده می‌کند به گونه‌ای که تداخل ناشی از سیگنال کاربر ثانویه در گیرنده کاربر اولیه همواره کمتر از مقدار آستانه‌ی از پیش تعیین شده باشد، بدین منظور از یک مکانیزم کنترل توان در فرستنده کاربر ثانویه استفاده می‌شود. در سیستم‌های مورد نظر، کاربر ثانویه از شبکه‌ی مشارکتی که شامل چندین رله تقویت و ارسال می‌باشد، استفاده می‌کند که در آن، در هر لحظه فقط یک رله‌ی دارای بهترین شرایط کانال، انتخاب شده و استفاده می‌شود. تفاوت دو سیستم فوق در روش انتخاب بهترین رله می‌باشد، بطوریکه: 1) در سیستم اول، روش انتخاب رله‌ی جزئی است که بر اساس اطلاعات جزئی از کانال‌ها انجام می‌گیرد. 2) در سیستم دوم، روش انتخاب رله‌ی فرصت طلبانه است که بر اساس اطلاعات کامل کانال‌ها انجام می‌شود. برای ارزیابی کارایی سیستم‌ها ابتدا تابع توزیع تجمعی نسبت سیگنال-به-نویز را در گیرنده‌ ثانویه برای هر دو سیستم بدست آورده و سپس روابط ریاضی برای سه معیار مهم ارزیابی کارایی سیستم‌های مخابراتی یعنی احتمال قطع، نرخ خطای بیت و ظرفیت میانگین کانال تعیین می‌شود. سپس با استفاده از نتایج عددی حاصل از روابط بدست آمده، عملکرد سیستم‌های ذکر ‌شده با معیارهای مذکور مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای تایید روابط ریاضی به دست آمده، از مقایسه‌ی نتایج عددی حاصل با نتایج شبیه‌سازی مونت‌-کارلو استفاده می‌شود که نشانگر صحت روابط بدست آمده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Performance Evaluation of Cooperative Amplify-and-Forward Relaying Systems in a Spectrum Sharing Cognitive Radio with Relay Selection

نویسندگان [English]

  • M. Torabi
  • N. mohammadi
Department of Electrical Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

This paper presents performance evaluations for two spectrum-sharing cognitive-radio systems employing cooperative amplify-and-forward relaying in which the best relay is selected for the transmission. In these systems, a secondary user (SU, unlicensed user) shares the spectrum of a primary user (PU, licensed user), in such a way that the interference to the PU is always kept below a predefined threshold. To this end, a power control for the SU is used. In these systems, the SU employs an amplify-and-forward relaying with several relays, where the best relay who has the best channel condition is selected for the transmission. The considered systems are different in the employed relay selection schemes, such that: 1) In the first system, partial relay selection is employed, in which the partial channel state information (CSI) is used to select the best relay. 2) In the second system opportunistic relay selection is employed, in which the full CSI is used to select the best relay. To analyze the system performances, at first the cumulative distribution function (CDF) of the received signal-to-noise-ratio (SNR) for each considered system is derived. Then, using the obtained CDF expressions, closed-form expressions are obtained for three performance metrics: outage probability, the average bit-error-rate (BER), and the average channel capacity. Finally, using the numerical results obtained from the mathematical formulas derived in this paper, we evaluate and compare the systems performances in different cases under different conditions. In addition, to verify the accuracy of the performed analysis, Monte-Carlo simulation results are also provided.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spectrum sharing
  • cognitive radio
  • cooperative communication systems
  • and amplify-and-forward-relaying

مراجع

[1]      A. M. Wyglinski, M. Nekoee, T. Hou, Cognitive Radio Communications and Networks: principles and practice, Academic Press, 2009.
[2]      Y. Li and A. Nosratinia, " Spectrum sharing with distributed relay selection and clustering," IEEE Trans on Communications., vol. 61, No. 1, pp. 53-62, Jan 2013.
[3]      شهریار شیروانی مقدم و راشین جلیلی دانالو، "شناسایی رادیویی کاربران اولیه براساس سنجش فشرده مشارکتی"، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 47، شماره 4، صص. 1551-1561، زمستان 96.
[4]      X. Wang, Y. Sun, H. Yu, T. Feng, W. Tang and Y. Zhang, "Outage performance analysis of amplify-and-forward cognitive relay networks with partial relay selection," Int. Conf. on Wireless Comm. & Signal Proc. (WCSP), 2015.
[5]      A. Nosratinia and A. Hedayat, "Cooperative communication in wireless networks," IEEE Communication Magazine, vol. 42, pp. 74-80, Oct. 2004.
[6]      جلیل سیفعلی هرسینی و مریم اصغرنیا، "طراحی روش‌های انتخاب پیوند ارسال در سیستم‌های رله‌ همیار و رادیوشناختی برفراز با رله مجهز به بافر و نرخ ارسال تطبیقی گسسته"، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 47، ش. 2، صص. 571-582، تابستان 96.
[7]      J. N. Laneman, Cooperation in Wireless Networks: Principles and Applications. Springer, 2006, ch.1 Cooperative Diversity: Models, Algorithms, and Architectures, pp. 163-188.
[8]      M. Torabi, D. Haccoun and J. F. Frigon, “Relay selection in AF cooperative systems,” IEEE Vehicular Tech. Magazine, vol. 7, pp. 104-113, Dec. 2012.
 [9]      A. Bletsas, H. Shin and M. Z. Win, “Cooperative communication with outage-optimal opportunistic relaying,” IEEE Trans. on Wireless commun., Vol. 6, No. 9, pp. 3450-3460, Sep. 2007.
[10]      J. M. Moualeu, W. Hamouda and F. Takawira, "Partial variable-gain AF relay selection with outdated channel estimates in spectrum sharing networks," IEEE Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), 2016.
[11]      S. I. Hussain, M-S. Alouini, M. Hasna and K. Qaraqe, "Partial relay selection in underlay cognitive networks with fixed gain relays," IEEE Vehicular Tech Conf. (VTC- Spring), 2012.
[12]      B. Zhong, Z. Zhang, X. Zhang, J. Wang and K. Long, "Partial relay selection with fixed-gain relays and outdated CSI in underlay cognitive networks," IEEE Trans on Vehicular Technology, vol. 62, No. 9, pp. 4696-4701, Nov. 2013.
[13]      Y. Sun, X. Wang, H. Yu, W. Tang and Y. Zhang, "Ergodic capacity and SER performance analysis of amplify-and-forward cognitive relay networks with partial relay selection,"  IEEE 26th Annual Int. Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2015.
[14]      V. N. Q. Bao, T. Q. Duong, D. B. da Costa, G. C. Alexandropoulos, and A. Nallanathan , “Cognitive amplify-and-forward relaying with best relay selection in non-identical Rayleigh fading,” IEEE Commun. Lett., vol. 17, no. 3, pp. 475–478, Mar. 2013.
[15]      P. K. Sharma, S. Solanki, and P. K. Upadhya,  “Outage Analysis of Cognitive Opportunistic Relay Networks with Direct Link in Nakagami-m Fading,” IEEE Commun. Lett, ., vol. 19, no. 5, pp. 875 - 878, May 2015.
[16]      T. W. Ban, W. Choi, B. C. Jung, and D. K. Sung, "Multi-user diversity in a spectrum sharing system," IEEE Trans. Wireless Commun., Vol. 8, No. 1, pp. 102-106, Jan. 2009.
[17]      M. Torabi and C. Nerguizian, " Impact of antenna correlation on the BER performance of a cognitive radio network with Alamouti STBC," IEEE Wireless Commun. Letters, Vol. 5, No. 3, pp. 264-267, June 2016.
[18]      M. Torabi and C. Nerguizian, "Adaptive transmission in spectrum sharing systems with Alamouti OSTBC under spatially correlated channels", IEEE Trans on Vehicular Technology, vol. 66, No. 4, pp. 3133-3142, April 2017.
[19]      M. Torabi, W. Ajib and D. Haccoun, "Performance analysis of amplify-and-forward cooperative networks with relay selection over Rayleigh fading channels," IEEE Vehicular Technology Conference, Barcelona, Spain, April 2009.
[20]       سمیه علی‌اصغری و محمد ترابی، "ارزیابی و تحلیل عملکرد اشتراک‌گذاری طیف در شبکه‌های رادیوشناختی مبتنی بر سیستم‌های رله‌ای مشارکتی"، دومین کنفرانس پردازش سیگنال و سیستم‌های هوشمند، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، 1395.
[21]        H. Ding, J. Ge and D. B. da Costa, “asymptotic analysis of cooperative diversity systems with relay selection in a spectrum-sharing scenario,” IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 60, No. 2, Feb. 2011.
[22]      M. Soysa, H. A. Suraweera, C. Tellambura and H. K. Garg, "Partial and opportunistic relay selection with outdated channel estimates," IEEE Trans. on Commun., vol. 60, No. 3, 2012.
[23]      J. G. Proakis and M. Salehi, Digital Communications, 5th ed., McGraw-Hill, 2008.
[24]      I.S. Gradshteyn and I.M. Ryzhik, Table of Integrals, Series, and Products, 7st ed., New York: Academic Press, 2007.
[25]      M. Torabi, D. Haccoun, and W. Ajib, “Performance analysis of cooperative diversity with relay selection over non-identically distributed links,” IET Communications, vol. 4, No. 5, pp. 596–605, March 2010.
[26]      H. A. Suraweera, P. J. Smith and M. Shafi, "Capacity limits and performance analysis of cognitive radio with imperfect channel knowledge," IEEE Trans on Vehicular Technology, vol. 59, No. 4, pp. 1811-1822, 2010.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار