انتخاب رله و کنترل توان ارسالی برای بیشینه کردن بهره وری انرژی در شبکه رله دوطرفه با کدگذاری شبکه و دسترسی چندگانه غیرمتعامد

نوع مقاله : مقاله علمی- پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مطالعات علم و فناوری، دانشگاه فرماندهی و ستاد ارتش، تهران، ایران.

2 گروه مهندسی برق، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران.

چکیده

دسترسی چندگانه غیرمتعامد بهره وری طیفی و ظرفیت سیستم را با تخصیص یک بلوک منبع به چندین کاربر افزایش می‌دهد. کدگذاری شبکه دارای مزایای فشرده سازی داده و بهره وری طیفی بالا است و نقش مهمی در شبکه های رله دو طرفه ایفا می کند. با این حال، شبکه‌های رله دوطرفه معمولی به دلیل استفاده از دسترسی چندگانه متعامد از محدودیتهای توان ارسالی رنج میبرند. عملکرد این نوع شبکه، به رله انتخاب شده و توان ارسالی وابسته است. با توجه به نیاز به ارتباطات امن و همچنین محدودیت انرژی در ارتباطات نظامی، در این مقاله روشی برای انتخاب رله و کنترل توان ارسالی به منظور بیشینه کردن بهره وری انرژی در شبکه های رله دو طرفه با کدگذاری شبکه و کنترل توان ارسالی با در نظر گرفتن محدودیتهای بیشینه توان و کمینه بهره وری طیفی قابل قبول ارائه شده است. برای حل این مساله، آن را به دو زیرمساله تبدیل کرده و ابتدا به ازای هر رله کاندید، توان ارسالی برای بیشینه کردن بهره وری انرژی محاسبه میشود. در نهایت، کاندیدی که بیشترین بهره وری انرژی را داشته باشد به عنوان رله نهایی انتخاب میشود. عملکرد سیستم بر حسب بهره وری طیفی، بهره وری انرژی و احتمال قطع ارتباط در نسبتهای مختلف سیگنال به نویز ارسالی ارزیابی میشود. همچنین تاثیر تعداد رله های کاندید و کمینه بهره وری طیفی قابل قبول بررسی شده است. نتایج نشان می دهند که کدگذاری شبکه بهره وری طیفی و بهره وری انرژی را افزایش داده و احتمال قطع را کاهش میدهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Relay Selection and Power Control to Maximize Energy Efficiency in Two-Way Relay Network with Network Coding and Non-Orthogonal Multiple Access

نویسندگان [English]

  • Akbar Asgharzadeh-Bonab 1
  • Hashem Kalbkhani 2
1 Department of Science and Technology Studies, AJA Command and Staff University, Tehran, Iran
2 Faculty of Electrical Engineering, Urmia University of Technology, Urmia, Iran
چکیده [English]

Non-othogonal multiple access (NOMA), as a promising technology, increases spectral efficiency and system capacity by allocating a resource block to multiple users. Network coding (NC) has the advantages of data compression and high spectral efficiency and plays an important role in two-way relay networks. However, conventional two-way relay networks suffer from transmission power limitations due to the use of mrthogonal multiple access (OMA). The performance of this type of network depends on the selected relay and the transmission power. In this paper, considering the need for secure communications and also the energy limitation in military communications, a method is proposed for relay selection and transmission power control to maximize energy efficiency in two-way relay networks with network coding and power control taking into account the limits of the maximum transmission power and the minimum acceptable spectral efficiency. To solve this problem, it is converted into two sub-problems and first, for each candidate relay, the transmission power is calculated to maximize the energy efficiency. Finally, the relay candidate with the maximum energy efficiency is selected as the final relay. The performance of the proposed model is evaluated in terms of spectral efficiency, energy efficiency, and the possibility of disconnection in different transmitted signal-to-noise ratios (SNR). Also, the effect of the number of candidate relays and the minimum acceptable spectral efficiency on the system efficiency has been investigated. The results show that network coding in NOMA communications increases the spectral efficiency and energy efficiency and reduces the outage possibility.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Secure communication
  • Relay selection
  • Energy efficiency
  • Two-way relay network
  • Power control

مراجع

  • حبیبی، نیک‌بخش (2017). ارائه مدل اثربخش بکارگیری بهینه پهپاد در توانمندسازی عملیات آینده سازمان‌های دفاعی (مطالعه موردی عملیات پروازی نیروی هوایی). آینده‌پژوهی دفاعی، 2(4)، 35-62.
  • محمد، اردشیر، نواده توپچی، حسین، فروزان، ایرج، شکوهی، حسین، و ایجابی، ابراهیم. (2022). مؤلفه‌های اثرگذار بر کشف و مقابله با هواپیمای بدون سرنشین در صحنه‌های نبرد آینده. آینده‌پژوهی دفاعی، 7(25)، 139-168.
  • Ahlswede, R. , Cai, N. , Li, S. -Y. , & Yeung, R. W. (2000). Network information flow. IEEE transactions on information theory, 46(4), 1204-1216.
  • Alabed, S. (2016). Performance analysis of two-way DF relay selection techniques. ICT Express, 2(3), 91-95.
  • Alabed, S. J. , Paredes, J. M. , & Gershman, A. B. (2012). A simple distributed space-time coded strategy for two-way relay channels. IEEE Transactions on Wireless Communications, 11(4), 1260-1265.
  • Ankarali, Z. E. , Peköz, B. , & Arslan, H. (2017). Flexible radio access beyond 5G: A future projection on waveform, numerology, and frame design principles. IEEE Access, 5, 18295-18309.
  • Chen, P. , Xie, Z. , Fang, Y. , Chen, Z. , Mumtaz, S. , & Rodrigues, J. J. (2019). Physical-layer network coding: An efficient technique for wireless communications. IEEE network, 34(2), 270-276.
  • Chen, Y. , Zhang, S. , Xu, S. , & Li, G. Y. (2011). Fundamental trade-offs on green wireless networks. IEEE Communications Magazine, 49(6), 30-37.
  • Choi, J. (2014). Non-orthogonal multiple access in downlink coordinated two-point systems. IEEE Communications Letters, 18(2), 313-316.
  • Cui, H. , Zhang, R. , Song, L. , & Jiao, B. (2011). Performance analysis of bidirectional relay selection with imperfect channel state information. arXiv preprint arXiv: 1112/2374.
  • Deng, D. , Fan, L. , Lei, X. , Tan, W. , & Xie, D. (2017). Joint user and relay selection for cooperative NOMA networks. IEEE Access, 5, 20220-20227.
  • Ding, Z. , Dai, H. , & Poor, H. V. (2016). Relay selection for cooperative NOMA. IEEE Wireless Communications Letters, 5(4), 416-419.
  • Ding, Z. , Peng, M. , & Poor, H. V. (2015). Cooperative non-orthogonal multiple access in 5G systems. IEEE Communications Letters, 19(8), 1462-1465.
  • Fang, Y. , Chen, P. , Cai, G. , Lau, F. C. , Liew, S. C. , & Han, G. (2019). Outage-limit-approaching channel coding for future wireless communications: Root-protograph low-density parity-check codes. IEEE Vehicular Technology Magazine, 14(2), 85-93.
  • Feng, D. , Jiang, C. , Lim, G. , Cimini, L. J. , Feng, G. , & Li, G. Y. (2012). A survey of energy-efficient wireless communications. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 15(1), 167-178.
  • Hayashi, M. , & Cai, N. (2021). Secure Non-Linear Network Code Over a One-Hop Relay Network. IEEE Journal on Selected Areas in Information Theory, 2(1), 296-305.
  • Jiao, R. , Dai, L. , Zhang, J. , MacKenzie, R. , & Hao, M. (2017). On the performance of NOMA-based cooperative relaying systems over Rician fading channels. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 66(12), 11409-11413.
  • Kim, J. -B. , & Lee, I. - (2015a). Capacity analysis of cooperative relaying systems using non-orthogonal multiple access. IEEE Communications Letters, 19(11), 1949-1952.
  • Kim, J. -B. , & Lee, I. -H. (2015b). Non-orthogonal multiple access in coordinated direct and relay transmission. IEEE Communications Letters, 19(11), 2037-2040.
  • Li, Y. , Louie, R. H. , & Vucetic, B. (2010). Relay selection with network coding in two-way relay channels. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 59(9), 4489-4499.
  • Liu, Y. , Ding, Z. , Elkashlan, , & Poor, H. V. (2016). Cooperative non-orthogonal multiple access with simultaneous wireless information and power transfer. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 34(4), 938-953.
  • Lu, Y. , & Zheng, X. (2020). 6G: A survey on technologies, scenarios, challenges, and the related issues. Journal of Industrial Information Integration, 19, 100158.
  • Park, J. , & Cho, D. -H. (2021). Separated random linear network coding based on cooperative medium access control. IEEE Networking Letters, 3(2), 66-69.
  • Rankov, B. , & Wittneben, A. (2006). Achievable rate regions for the two-way relay channel. 2006 IEEE international symposium on information theory,
  • Timotheou, S. , & Krikidis, I. (2015). Fairness for non-orthogonal multiple access in 5G systems. IEEE Signal Processing Letters, 22(10), 1647-1651.
  • Wan, D. , Wen, M. , Ji, F. , Liu, Y. , & Huang, Y. (2017). Cooperative NOMA systems with partial channel state information over Nakagami-$ m $ fading channels. IEEE Transactions on Communications, 66(3), 947-958.
  • Wei, F. , Zhou, T. , Xu, T. , & Hu, H. (2019). Modeling and analysis of two-way relay networks: A joint mechanism using NOMA and network coding. IEEE Access, 7, 152679-152689.
  • Xu, M. , Ji, F. , Wen, M. , & Duan, W. (2016). Novel receiver design for the cooperative relaying system with non-orthogonal multiple access. IEEE Communications Letters, 20(8), 1679-1682.
  • Xu, P. , Yang, Z. , Ding, Z. , & Zhang, Z. (2018). Optimal relay selection schemes for cooperative NOMA. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 67(8), 7851-7855.
  • Xu, Y. , Sun, H. , Hu, R. Q. , & Qian, Y. (2015). Cooperative non-orthogonal multiple access in heterogeneous networks. 2015 IEEE global communications conference (GLOBECOM),
  • Yang, Z. , Ding, Z. , Wu, Y. , & Fan, P. (2017). Novel relay selection strategies for cooperative NOMA. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 66(11), 10114-10123.
  • Yin, H. H. , Tang, B. , Ng, K. H. , Yang, S. , Wang, X. , & Zhou, Q. (2021). A unified adaptive recoding framework for batched network coding. IEEE Journal on Selected Areas in Information Theory, 2(4), 1150-1164.
  • Yue, X. , Liu, Y. , Kang, S. , Nallanathan, A. , & Ding, Z. (2018). Spatially random relay selection for full/half-duplex cooperative NOMA networks. IEEE Transactions on Communications, 66(8), 3294-3308.
  • Zhang, S. , Gao, F. , & Pei, C. -X. (2012). Optimal training design for individual channel estimation in two-way relay networks. IEEE Transactions on Signal Processing, 60(9), 4987-4991.
  • Zhao, J. , Ding, Z. , Fan, P. , Yang, Z. , & Karagiannidis, G. K. (2018). Dual relay selection for cooperative NOMA with distributed space time coding. IEEE Access, 6, 20440-20450.
  • Zhu, F. , Zhang, C. , Zheng, Z. , & Farouk, A. (2021). Practical network coding technologies and softwarization in wireless networks. IEEE Internet of Things Journal, 8(7), 5211-5218.

 

 

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار