Luận văn: Nghiên cứu Network Coding trên Mạng Relay Hợp Tác

Luận văn thạc sĩ về ứng dụng network coding trên mạng relay hợp tác. Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu suất truyền dẫn và độ tin cậy của mạng.

• Tác giả: Lam Sinh Cong
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Quoc Tuan
• Trường học: Hanoi University of Engineering and Technology
• Chuyên ngành: Electronics and Telecommunications Technology
• Đề tài: Network Coding On Cooperative Relay Networks
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• Acknowledgements
• Abstract
• 1. Chapter 1: Introduction
• 1.1. Introduction to cooperative relay networks
• 1.1.1. The relay protocols
• 1.1.2. Advantages of Cooperative Diversity Relaying Networks
• 1.2. Introduction to Network Coding
• 1.2.1. Non-Binary and Binary Network Coding
• 1.2.2. Advantages of Network Coding
• 1.2.3. Weaknesses of Network Coding
• 1.3. Cooperative Diversity Relaying Networks using network coding
• 1.3.1. Traditional Relay Multiple-Wireless Networks
• 1.3.2. Single Relay Networks using Network Coding
• 1.3.3. Multiple-Relay Networks using Network Coding
• 2. 2 Outage Probability Calculations
• 2.1. Outage Probability Definition
• 2.2. Outage Probability of Multiple-Relay Networks
• 2.2.1. Traditional Decode-and-Forward relaying
• 2.2.2. Selection Decode-and-Forward relaying
• 2.3. Outage Probability of Single Relay Networks using Network coding
• 2.4. Outage Probability of Multiple-Relay Networks using Network Coding
• 3. Conclusions and Future Works
• Bibliography
• List of Figures

Tóm tắt

I. Tổng quan về Network Coding trên Mạng Relay Hợp Tác

Mạng Relay Hợp Tác sử dụng các thiết bị liên lạc với nhau thông qua các relay để tăng hiệu suất mạng. Trong một khe thời gian, relay chỉ truyền tín hiệu của một nguồn. Network Coding được giới thiệu để cải thiện thông lượng mạng. Kết hợp Mạng Relay Hợp Tác và Network Coding cần được nghiên cứu để đạt được lợi ích và khắc phục nhược điểm. Luận văn này xem xét ảnh hưởng của Network Coding lên Mạng Relay Hợp Tác. Phương pháp Selection Decode-and-Forward được sử dụng thay vì Traditional Decode-and-Forward tại relay. Sử dụng các hệ số khuếch đại kênh tức thời để tính toán xác suất mất kết nối của mô hình hệ thống đề xuất. Chương II mô tả mô hình hệ thống của mạng đa relay. Chương III tính toán xác suất mất kết nối. Chương IV đưa ra kết luận và hướng phát triển trong tương lai.

1.1. Giới thiệu Mạng Relay Hợp Tác và Ưu điểm

Mạng Relay Hợp tác (Cooperative Relay Networks) sử dụng các thiết bị liên lạc với nhau thông qua các relay để tăng hiệu suất mạng. Kênh relay được xem như kênh phụ trợ cho kênh trực tiếp giữa nguồn và đích. Mô hình mạng sử dụng M relays có thể chia thành M+1 khe thời gian. Trong khe thời gian đầu tiên, nguồn gửi tin nhắn đến các relay và đích bằng phương pháp quảng bá. Relay i sử dụng giao thức xác định để nhận và xử lý tin nhắn nguồn trước khi truyền lại đến đích trong khe thời gian i. Sự hiện diện của tín hiệu được quyết định tại đích bằng cách so sánh SNR đo được với ngưỡng. Các relay hoạt động độc lập, không có tương quan giữa các kênh. Tính đa dạng và độ tin cậy của mô hình tăng đáng kể. Đích không thể giải mã tin nhắn của nguồn nếu tất cả các liên kết kết nối M relay và nguồn đó đến đích bị mất kết nối. Giả sử xác suất mất kết nối của các liên kết này là như nhau, và được ký hiệu là p. Xác suất xảy ra mất kết nối hệ thống là pout = pM +1. Trong [4], độ lợi đa dạng được định nghĩa là − log P D, lim (1.1) SN R→∞ log SN R trong đó P là xác suất mất kết nối, SN R là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Phương trình 1.2 chỉ ra rằng người dùng có thể đảm bảo độ đa dạng tối đa bằng số lượng relay cộng với liên kết trực tiếp.

1.2. Tìm hiểu về Kỹ thuật Network Coding và Lợi ích

Trong mạng thông thường, thông tin được truyền từ nút nguồn đến từng nút đích thông qua chuỗi các nút trung gian bằng phương pháp lưu trữ và chuyển tiếp. Nút trung gian chỉ xử lý và truyền một tín hiệu duy nhất tại một thời điểm mà không chồng chéo, làm chậm thông lượng. Network Coding được giới thiệu trong [5] và phát triển thêm trong [6], như một phương pháp khai thác đặc điểm của kênh truyền thông quảng bá để kết hợp nhiều tín hiệu đầu vào thành một tín hiệu đầu ra tại nút trung gian. Trong hình 1.4, cả N1 và N2 đều muốn gửi tín hiệu của chúng đến nút N4 bằng cách sử dụng chế độ quảng bá. Khi Network Coding được áp dụng, nút trung gian sẽ kết hợp các tín hiệu này thành một đầu ra trước khi truyền lại đến đích. Vấn đề là làm thế nào nút trung gian kết hợp chúng và làm thế nào nút đích phát hiện các tin nhắn đã nhận. Khi nghiên cứu giao thức của nút trung gian, có thể chia Network Coding thành binary network coding và non-binary network coding. Một trong những lợi ích của Network Coding là tăng thông lượng bằng cách tăng hiệu quả truyền gói.

II. Vấn đề và Thách thức của Network Coding Trên Relay

Vấn đề chính khi sử dụng Network Coding là nếu xảy ra lỗi truyền, nó có thể ảnh hưởng đến việc phát hiện và mã hóa tại nút trung gian và nút đích có thể nhận thông tin vô ích. Xét kịch bản trong Hình 1.7, kênh giữa nguồn S và nút trung gian 2 bị mờ. Nút 2 không thể giải mã thành công các tin nhắn đã nhận. Nó có thể gửi tin nhắn không chính xác đến nút 3 và đích D2. Việc kết hợp và mã hóa các tín hiệu được truyền từ nút 1 và nút 2 tại nút 3 là không chính xác ngay cả khi các kênh s − 1 và 1 − 3 là hoàn hảo. Sau một vài giai đoạn truyền, có hai tin nhắn tại đích D1: b1 (chính xác hoặc không chính xác) và b1 ⊕ b2 (không chính xác). b1 được phát hiện bằng cách sử dụng các tin nhắn không chính xác. Bên cạnh đó, đồng bộ hóa và độ trễ truyền giữa các luồng dữ liệu đến tại đầu vào của nút trung gian hoặc nút đích cũng là những vấn đề quan trọng cần được xem xét khi áp dụng Network Coding.

2.1. Độ Tin Cậy và Phát Hiện Lỗi Trong Network Coding

Khi sử dụng binary network coding, nút trung gian sử dụng toán tử XOR để hợp nhất các tin nhắn nhận được từ các nguồn. Vì toán tử XOR chỉ được sử dụng để thêm hai bit nhị phân, dữ liệu đầu vào S1 x1 R x1  x2 D S2 x2 Hình 1.5: Ví dụ về Network Coding Phi tuyến tính phải ở dạng nhị phân. Dữ liệu phải được giải mã trên GF (2) và nó chỉ hỗ trợ hai nguồn. Ưu điểm chính của non-linear network coding là đơn giản và có thể dễ dàng thực hiện bằng phần cứng. Tuy nhiên, nó là sub-optimal [7]. Thứ tự đa dạng của hệ thống không thay đổi khi tăng số lượng relay. Trong non-binary network coding, mỗi nút trung gian sử dụng một phương trình tuyến tính để kết hợp các đầu vào và đích sử dụng hệ phương trình tuyến tính để giải mã các tin nhắn đã nhận. Nhược điểm của việc sử dụng Network Coding trên các trường không nhị phân có thể là độ phức tạp cao hơn, vì các tính toán trong các trường hữu hạn lớn phức tạp hơn so với trên trường nhị phân. Nó cũng gây ra độ trễ truyền tệ hơn và tiêu thụ băng thông nhiều hơn.

2.2. Vấn đề Đồng Bộ và Trễ Trong Mạng Relay Coding

Dữ liệu được truyền không thể được khôi phục cho đến khi tất cả thông tin cần thiết được nhận. Đây không phải là vấn đề lớn đối với các dịch vụ không theo thời gian thực (ví dụ: truyền dữ liệu và giọng nói), nhưng chúng cần được xem xét cẩn thận đối với các dịch vụ theo thời gian thực (ví dụ: truyền video). Như đã thảo luận ở trên, cả cooperative diversity relaying và Network Coding đều có ưu điểm và nhược điểm, do đó, việc kết hợp cooperative relaying với channel coding cần được nghiên cứu để đạt được lợi ích và khắc phục một số nhược điểm. Trong mạng dựa trên NC, một nút nguồn gửi tin nhắn đến một nút đích thông qua một số nút relay, trong đó một nút trung gian trước tiên mã hóa các tin nhắn nhận được từ các nút đầu vào của nó thành một tin nhắn mới và sau đó gửi tin nhắn này đến các nút đầu ra của nó. Bằng cách giải mã các đầu vào của nó, nút đích có thể khôi phục các tin nhắn ban đầu được gửi bởi nút nguồn.

III. Phương Pháp Selection Decode and Forward DF tối ưu

Thay vì sử dụng DF relaying, phương pháp selection DF relaying được sử dụng. Giao thức lựa chọn DF relaying được thiết kế để khắc phục những thiếu sót của DF relaying khi SNR đo được tại relay giảm xuống dưới ngưỡng khiến relay không thể giải mã các tin nhắn, nguồn chỉ cần tiếp tục truyền trực tiếp đến đích bằng cách sử dụng mã lặp lại. Ngoài ra, Maximum Ratio Combining (MRC) được sử dụng tại đích. Phân tích hiệu suất của lược đồ đề xuất về xác suất mất kết nối bằng cách sử dụng các hệ số khuếch đại kênh tức thời. Việc phân tích dựa trên một phương pháp mới được phát triển để tính toán chính xác xác suất mất kết nối [16]. Trong lý thuyết, nút relay có thể hoạt động ở cả chế độ phân chia theo thời gian (TD) và phân chia theo tần số (FD). Nếu phương pháp frequency-mode được áp dụng, băng thông W được chia thành băng thông αW nơi nút relay lắng nghe và (1 − α)W nơi relay truyền. Nút đích chú ý đến toàn bộ băng thông W. Tương tự, nếu chế độ phân chia theo thời gian được áp dụng, thì đối với một cửa sổ thời gian D nhất định, trong giai đoạn relay-receive, relay sử dụng một phần thời gian αD để nhận các tin nhắn từ nguồn của nó và sử dụng thời gian còn lại (1 − α)D của cửa sổ để gửi các tin nhắn đã nhận đến đích của nó.

3.1. Tổng Quan về Truyền Dẫn Relay Theo Thời Gian

Rõ ràng là từ quan điểm lý thuyết thông tin, không có sự khác biệt giữa chế độ TD và chế độ FD đối với trường hợp hệ số khuếch đại kênh cố định. Tuy nhiên, trong các kênh fading, chế độ TD có nhiều lợi ích hơn chế độ FD vì có thể điều chỉnh theo các điều kiện kênh tức thời, trong khi α thường được cố định trong chế độ FD [17]. Vì vậy, relay chỉ hoạt động ở chế độ TD. Trong fixed DF relaying, relay giải mã tin nhắn đã nhận từ nguồn và gửi nó đến đích. Tin nhắn đã giải mã tại relay có thể đúng hoặc không chính xác. Nếu một tín hiệu không chính xác được truyền đến đích, việc giải mã tại đích là vô nghĩa. Rõ ràng là bậc đa dạng của lược đồ này chỉ là một, vì hiệu suất của hệ thống bị giới hạn bởi đường liên kết source−relay và source−destination tệ nhất. Selection relaying (SR) giao thức được thiết kế để khắc phục những thiếu sót của DF relaying khi SNR đo được tại relay giảm xuống dưới ngưỡng mà relay không thể giải mã tin nhắn, nguồn chỉ cần tiếp tục truyền trực tiếp đến đích bằng cách sử dụng mã lặp lại hoặc các mã mạnh hơn khác. Ở đây chỉ xem xét relay sử dụng giao thức selection Decode-and-Forward ở chế độ Time-Division.

3.2. Phân Tích Xác Suất Mất Kết Nối trong Selection DF

Kết hợp phương trình (3.11), thông tin rate của một selection DF relay network trong trường hợp này có thể được biểu diễn như sau [22]: {1/2 log(1 + 2γsi d ), γsi ri < γth (3.16) ISDF i =. (3.16) Because there is no correlation between the signals transmitted from source 1/2 log(1 + γs1 d + γr1 d ), γsi ri ≥ γth

IV. Ứng Dụng Network Coding vào Mạng Relay Đơn

Hình 2.3 cho thấy một mạng relay đơn với hai nguồn sử dụng Network Coding [20]. Trong khe thời gian 1: – S1 gửi tín hiệu x1 đến cả relay và đích bằng cách sử dụng chế độ quảng bá. – Relay có thể hoặc không thể giải mã x1. Trong khe thời gian 2 – Nếu R không thể giải mã x1, S1 lặp lại việc gửi x1 đến D, do đó D nhận x1 trên 2hs1 d – Nếu R có thể giải mã x1, S1 sẽ không làm gì trong khe thời gian 2 và R lưu trữ x1 trong đó và đợi x2 Trong thời gian chờ đợi – S2 truyền tín hiệu x2 của nó đến relay và đích bằng cách sử dụng chế độ quảng bá. – R có thể hoặc không thể giải mã x2 – Nếu R không thể giải mã x2, S2 lặp lại việc gửi x2 đến D, do đó D nhận x2 trên 2hs2 d. Nếu relay không thể giải mã cả x1 và x2, nó phải im lặng. – Nếu relay chỉ giải mã xi, nó sẽ chuyển tiếp xi đến đích.

4.1. Mô Hình Mạng Relay Đơn Dùng Network Coding

Nếu relay giải mã x1 và x2, nó kết hợp x1 và x2 bằng cách sử dụng toán tử XOR trước khi gửi nó đến đích. Khi tất cả các liên kết nguồn-relay đều hoàn hảo, đích giải mã các tin nhắn đã nhận bằng cách sử dụng thuật toán: x1 ⊕ x1 ⊕ x2 = x2 hoặc x2 ⊕ x1 ⊕ x2 = x1 Vì sử dụng ít khe thời gian hơn so với mô hình hệ thống được mô tả trong Hình 2.1, điều đó cho thấy mô hình hệ thống có thể cải thiện thông lượng của mạng. So sánh với mô hình hệ thống được mô tả trong hình 2.2, nó không thể tiết kiệm bất kỳ khe thời gian nào, nhưng có thể tiết kiệm một relay. Xem xét các kịch bản trong Hình 3 và giao thức Decode-and-Forward cố định được sử dụng tại relay, ký hiệu xác suất mất kết nối của BERs uplink của hai nút cuối đến đích là p1 và p2, tương ứng và BERs uplink của relay trong kịch bản Network Coding là pr. Khi đó, xác suất mất kết nối hệ thống có thể được biểu diễn như sau [23] p1 = ps1 d ps2 d (1 − prd ) + ps1 d prd (1 − ps2 d ) + prd ps2 d (1 − ps1 d ) + prd ps1 d ps2 d = ps1 d ps2 d + prd (ps1 d + ps2 d − 2ps1 d ps2 d ) (3.20).

4.2. Phân Tích Hiệu Suất của Mạng Relay Đơn

Phương trình (3.20) thu được trong [23] bằng cách giả định các liên kết giữa các nguồn và các relay không có lỗi và các tác giả không chỉ định giao thức được sử dụng tại relay. Giả định này không thực tế. Trong mô hình của chúng ta, không giả định rằng các liên kết này không có lỗi và chúng ta sẽ phân tích xác suất mất kết nối dựa trên giao thức của relay. Phân tích tất cả các sự kiện gây ra mất kết nối hệ thống. • Liên kết s1 r bị mất kết nối, khi đó nguồn s1 lặp lại việc truyền tín hiệu của nó đến D. Mô hình hệ thống trong Hình 2.3 bị suy biến thành mô hình được mô tả trong Hình 3.4 Do đó, xác suất mất kết nối của mô hình suy biến này được cho bởi: p1 (µth ) =P (|hs1 r |2 < µth )P (2|hs1 d |2 < µth ) (3.22) • Liên kết s1 r và s2 r không có lỗi. Điều đó có nghĩa là relay giải mã đầy đủ các tin nhắn của các nguồn và sau đó kết hợp chúng thành một tín hiệu duy nhất trước khi.

V. Ưu Điểm Mạng Relay Đa Hợp Tác với Network Coding

Hình 2.4 cho thấy một mạng đa relay sử dụng coding trong các relay hợp tác, nó được coi là một kỹ thuật để cải thiện độ mạnh mẽ. Mô hình hệ thống đang được phân tích được cho bởi kênh relay đa truy cập, nơi hai nút nguồn, S1 và S2, liên lạc với đích với sự trợ giúp của hai relay R1 và R2. Ký hiệu được sử dụng cho hệ thống này và hoạt động của chúng là giống nhau trong Phiên 2.2 cho relay R1 và R2. Cụ thể hơn, hoạt động của mô hình này có thể được mô tả như sau: • Trong khe thời gian đầu tiên T S1: nguồn S1 phát tín hiệu của nó đến cả.

5.1. Cấu Trúc và Hoạt Động Mạng Relay Đa Coding

Trong khe thời gian thứ hai T S2: nguồn S2 gửi tín hiệu của nó đến cả các relay và đích. • Trong khe thời gian thứ ba T S3: cả hai relay R1 và R2 gửi các tín hiệu đã giải mã đến đích bằng cách sử dụng chế độ đa truy cập. Tại đích, MRC được sử dụng để kết hợp các tín hiệu từ R1 và R2 thành một tín hiệu tốt hơn với SNR cao hơn. Điều này có thể cải thiện độ mạnh mẽ của mạng. Nếu cả hai relay R1 và R2 không thể giải mã các tin nhắn của nguồn Si, Si lặp lại việc truyền của nó đến đích bằng cách sử dụng mã lặp lại. Sử dụng MRC, hiệu suất của mạng tăng lên. Tổng SNR của đầu ra MRC tại đích bằng tổng SNR được truyền từ relay R1 và relay R2 γRD = γr1 d + γr2 d hoặc |hRD |2 = |hr1 d |2 + |hr2 d |2 Vì |hr1 d |2 và |hr2 d |2 được phân phối theo hàm mũ, hàm mật độ xác suất và hàm phân phối tích lũy của |hrd |2 tương ứng là: e1 −e và 1 FRD (µ) = {µr1 d Fr1 d (µ) − µr2 d Fr2 d (µ)} µr1 d − µr2 d trong đó µr1 d (1 − e µr1 d ) và Fr2 d (µ) = µr2 d (1 − e µr2 d ).

5.2. Phân Tích Hiệu Năng Mạng Relay Đa với MRC

Bằng cách sử dụng xấp xỉ Taylor-Maclaurin e−x = 1 − x + x2 , chúng ta có thể tính xác suất mất tín hiệu khi có sử dụng MRC tại Relay Đích. Xác suất mất kết nối của nguồn S1 thu được bằng cách tính toán xác suất của tất cả các sự kiện trong các liên kết nguồn-relay khiến đích không thể giải mã các tin nhắn x1 từ S1. • Tất cả các liên kết nguồn-relay không có lỗi. Điều đó có nghĩa là r1 và r2 có thể giải mã thành công các tin nhắn đã nhận, khi đó tin nhắn x1 ⊕ x2 được mang trên cả hai liên kết r1 d và r2 d. Các tín hiệu tại đích là: x1 , x2 và x1 ⊕ x2. Đích không thể giải mã x1 nếu liên kết s1 bị mất kết nối và ít nhất một trong hai liên kết s2 d và RD bị mất kết nối. Xác suất của sự kiện này được cho bởi: P1co = Ps1 d (PRD + (1 − PRD )Ps2 d ) (3.30) • Liên kết s1 r1 bị mất kết nối và các liên kết khác không có lỗi.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Network Coding trong Tương Lai

Trong luận văn này, chúng ta xem xét các ảnh hưởng của Network Coding trên các mạng relay hợp tác. Thay vì sử dụng relaying DF truyền thống, relaying DF lựa chọn được đề xuất, được thiết kế để khắc phục các điểm yếu của DF relaying. Bằng cách sử dụng các độ lợi kênh tức thời, chúng ta tính toán chính xác các xác suất mất kết nối của các mô hình hệ thống, tức là các mạng relaying có và không có Network Coding, trong một môi trường fading Rayleigh. So sánh giữa các mô hình hệ thống chỉ sử dụng một relay, chúng ta thấy rằng độ mạnh mẽ của các mạng sẽ giảm khi Network Coding được áp dụng. Tuy nhiên, khi chúng ta tăng số lượng relay (sử dụng 2 relay), hiệu suất của mạng có thể tăng mạnh, thậm chí tốt hơn trường hợp không sử dụng Network Coding.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp

Có thể nói rằng trong một số trường hợp, Network Coding cũng cải thiện độ mạnh mẽ của mạng. Mô hình hệ thống được đề xuất có thể là không tối ưu, nhưng nó đã đạt được những gì chúng ta mong đợi. Đối với các công việc trong tương lai, ta thấy rằng nếu tất cả các xác suất mất kết nối của tất cả các liên kết là như nhau, và bằng pe, phương trình (3.36) trở thành, tương ứng PSDF out (µth ) = 1.5p2e co và PSDF out (µth ) = 3p2e (3.37) Bằng cách sử dụng phương trình (1.2), các bậc đa dạng của các mô hình hệ thống này bằng 2. Điều đó có nghĩa là khi sử dụng toán tử XOR, độ lợi đa dạng không tăng.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng và Phát Triển Network Coding

Để đơn giản hóa phân tích, chúng tôi đã giả định rằng các hệ số khuếch đại kênh giữa các relay và đích là độc lập và giống hệt nhau. Tuy nhiên, giả định này không hợp lệ trong hầu hết các trường hợp thực tế. Vì vậy, một nghiên cứu sâu hơn là xem xét phân phối Rayleigh fading không giống hệt nhau. Điều này không chỉ cho phép phân tích của chúng tôi gần với các môi trường trong thế giới thực hơn, mà còn giúp phân tích ảnh hưởng của Network Coding trên hệ thống. Cùng với relay hợp tác, các giao thức có thể điều khiển việc lựa chọn relay để thực hiện Network Coding sẽ phải được thực hiện để đưa ra quyết định xem có nên áp dụng Network Coding hay không dựa trên điều kiện kênh hiện tại giữa nguồn và relay. Bằng cách sử dụng thuật toán định tuyến, ta có thể cải thiện hiệu suất mạng và giảm chi phí năng lượng khi chọn relay để truyền.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Viet Nam National University, Ha Noi University of Engineering and Technology Lam Sinh Cong Network Coding On Cooperative Relay Networks Master Thesis Ha Noi - 2012 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Viet Nam National University, Ha Noi University of Engineering and Technology Lam Sinh Cong Network Coding On Cooperative Relay Networks Branch: Electronics and Telecommunications Technology Major: Electronics Engineering Code: 60 52 70 Master Thesis Supervisor: Dr. Nguyen Quoc Tuan Ha Noi-2012 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của tôi, không sao chép của ai. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải ở các hội nghị, tạp chí, và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn Tác giả luận văn Lâm Sinh Công TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Acknowledgements I am heartily thankful to my supervisor, Dr Nguyen Quoc Tuan, whose en- couragement, guidance and support from the initial to the final level enabled me to develop an understanding of the subject. My grateful thanks also go to Professor Dinh Thong Nguyen form Univer- sity of Technology Sydney, Australia, my former colleagues from Department of Telecommunication Systems, Faculty of Electronics and Telecommunica- tion, UET-VNU,H whose help, guidance helped me in all the time of research for and writing of this thesis.

I also want to thank Project 39/2012/HD/NDT granted by the Ministry of Science and Technology of Vietnam for the support for my researches. I would also like to thank my family for the support they provided me through my entire life and in particular. ii TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Contents Abstract 1 1 Introduction 1 1.1 Introduction to cooperative relay networks .1 The relay protocols .2 Advantages of Cooperative Diversity Relaying Networks .2 Introduction to Network Coding .1 Non-Binary and Binary Network Coding .2 Advantages of Network Coding .3 Weaknesses of Network Coding .3 Cooperative Diversity Relaying Networks using network coding .1 Traditional Relay Multiple-Wireless Networks .2 Single Relay Networks using Network Coding .3 Multiple-Relay Networks using Network Coding. 22 3 Outage Probability Calculations 24 3.2 Outage Probability Definition .3 Outage Probability of Multiple-Relay Networks .1 Traditional Decode-and-Forward relaying .2 Selection Decode-and-Forward relaying .4 Outage Probability of Single Relay Networks using Network coding .5 Outage Probability of Multiple-Relay Networks using Network Coding.

36 Conclusions and Future Works 42 iii TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Bibliography 43 iv TIEU LUAN MOI download : [e-mail] List of Figures 1.3 Cooperative relay network .4 An example of Network Coding .5 An example of Non-linear Network Coding .6 An example of linear Network Coding .7 The butterfly network .8 The weakness of Network Coding .1 A traditional single relay network .2 A traditional multiple-relay network .3 Network coding in single relay network .4 Multiple-relay network using network coding .1 The direct link between the input and the output .2 Outage probability of a direct link .3 Outage Probability of fixed and selection DF relay .4 The degraded system model of a single relay network based on NC .5 The degraded system model of a single relay network based on NC .6 Outage probability of the single relay network with and without network coding 36 3.7 Link s1 r1 is in outage .8 Outage probability of relay networks with different scenarios. 41 v TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Abstract In communication, Cooperative Diversity Relaying refers to devices com- municating with one another with the help of relays in order to increase the performance of the network. However, in one timeslot, the relay only trans- mits the signal of one source. Therefore, Network Coding is introduced to improve the throughput of the network.

Combining Cooperative Relay Net- work and Network Coding should be studied to achieve significant benefits and overcome some weakness. In this thesis, we consider the effect of Net- work Coding on Cooperative Relay Network. We propose to use Selection Decode-and-Forward instead of Traditional Decode-and-Forward protocol at the relay. We also use the instantaneous channel gains to calculate the outage probability of the proposal system model.

The rest of the thesis is organized as follows. In Chapter II, the system model of a multiple-relay network is described. The outage probability is calculated in Chapter III. Finally, the conclusions and the future works are drawn in Section IV.

TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chapter 1 Introduction 1.1 Introduction to cooperative relay networks The sharp increase in the number of mobile subscribers which needs large bandwidth for multimedia applications anywhere and anytime requires the network service providers to optimize and develop the current technologies in order to ensure that the Quality of Services (QoS) is always satisfied. Diversity scheme are used to improve the reliability of a message signal by transmitting multiple version of the same signal over different communication channels. Because of time-varying channel conditions, the diversity plays an important role in combating fading and co-channel interference. Diversity techniques are divided into the following types: time diversity, frequency diversity, space diversity, polarization diversity, muiltiuser diversity! [1].

• Time diversity: The transmitter sends the same data at different time instants or a redundant error correcting code is added into the messages before transmitting. Repetition coding is one of the most popular types of time diversity. 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] • Frequency diversity: The signal transmitted by using different frequency channels on a single antenna. At the destination, it requires the number of receivers as the number of frequencies used at the transmitter.

It therefore requires more spectrum usage. Transmitter Receiver 1 1 Transmitted Recovered antenna antenna signal signal Transmitter Receiver 2 2 Figure 1.1: Frequency Diversity • Spatial diversity. The signal is transmitted over different path by using several antennas at the transmitter in order to allow multiusers to share a spectrum and avoid co-channel interference.2: Space Diversity • Polarization diversity: The same messages are transmitted and received by using antennas with different polarization. A diversity combining tech- nique designed to combine the multiple received signals at the destination is used in this case.

2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] • Multiuser diversity: In this technique, the transmitter and receiver rely on the quality of the link between the transmitter and each receiver in order to selects the best partner. In recent years, MIMO (multi-input multi-output) technology based on spatial diversity and spatial diversity has attracted attention in wireless com- munication because it greatly improves the reliability, the throughput and the transmission rate without additional bandwidth nor requiring higher trans- mitter power. However, this technique requires both the transmitter and the receiver to have multi-antennas, and all channels must be independent. In practice, users do not often achieve full-rank MIMO because they either do not have multiple-antennas installed on a small-size devices, or the propaga- tion environment cannot support MIMO, for example, there is not enough scattering.

Even if the users have enough antennas, full-rank MIMO is not guaranteed because the links between several antenna elements are often cor- related. To overcome the limitations in diversity gain MIMO, a new communication paradigm which uses an intermediate node to generate independent channel between the user and the base station was introduced. The intermediate node often called relay node receives the signal transmitted from the user and forward it to the base station. And this paradigm is called Cooperative Diversity Relaying Network.

3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 The relay protocols A key aspect of the cooperative communication process is the processing of the signal received from the source node carried out by the relay. These dif- ferent processing schemes depend on the protocols of the relays which can be generally categorized into fixed relaying schemes, selection relaying protocol (adaptive relaying schemes) and incremental relaying protocol. In Fixed relaying protocols, the relay either amplifies what it receives, or fully decodes, re-encodes, and re-transmits the source message. These fixed relaying options are called amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF), respectively.

Amplify and Forward is the protocol in which the relay receives the signal form the source and amplifies it before forwarding to the destination. While, Decode-and-Forward relay decodes and re-encodes the received message before sends it to the destination. Note that the decoded signal at the relay may be incorrect. If an incorrect signal is forwarded to the destination, the decoding at the destination is meaningless [2].

Therefore, sometimes the relay must be silent because it can not detect the presence of the signal or the signal quality is not good enough for the relay to decode fully the messages. Selection relaying (SR) protocol is designed to overcome the shortcomings of DF relaying when the measured SNR at the relay falls below a threshold that the relay becomes unable to decode the message, the source simply continues its direct transmission to the destination using repetition coding or other more powerful codes. In incremental relaying (IR) protocol, the relay only transmits upon a neg- 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] ative feedback from the destination. Fixed relaying makes inefficient use of relay channel resources when operating at high rates because the relays repeat all the time, and under good transmission conditions this is un-necessarily.

In IR networks, the destination sends a one-bit ACK to the source and the relay if it can successfully decode message from the source, otherwise it sends a NACK to signal it fails to decode the message. Only when the relay re- ceives a NACK and if it is able to decode the source message, it will forward the message to the destination by employing AF relaying. The destination receiver then uses maximum ratio combining (MRC) of the signal from the source and the relay to build up its receive SNR until it can successfully decode the message. This is equivalent to using the well known repetition coding technique to combat deep fading situations.2 Advantages of Cooperative Diversity Relaying Networks Cooperative Diversity Relaying refers to devices communicating with one another with the help of relays in order to increase the performance of the network [3].

Thereby, the relay channel can be considered as an auxiliary channel to the direct channel between the source and destination.3 shows a network model using M relays. The operation of this model can be divided into M + 1 time slots. In the first time slot, the source sends its messages to the relays and the destination using the broadcast method. The relay i relies on the defined protocol to receive and process the source message before retransmitting it to the destination in timeslot i.

The presence of the signal is decided at the destination by comparing the 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] measured SNR with a threshold. R1 R2 Direct link S D Broadcast Broadcast mode mode RM Figure 1.3: Cooperative relay network The operation of each relay is independent of the others, so that there is no correlation among all channels. We will show that the diversity gain and the robustness of this system model is increased significantly. It is clear that the destination can not decode a source’s messages if and only if all links connect- ing the M relays and that source to the destination are in outage.

Assuming that the outage probabilities of these links are the same, and denoted by p. Then the probability of system outage event is pout = pM +1. In [4], the diversity gain is defined as − log P D, lim (1.1) SN R→∞ log SN R in which P is the outage probability, SN R is the signal to noise ratio. Then − log P M +1 D= lim ≈M +1 (1.2) SN R→∞ log SN R Equation 1.2 indicates that the user can guarantee the maximum diversity which is equal the number of the relays plus the direct link, i.e being the minimum cut at each source.