Performance Analysis and Resource Allocation for Relaying in Cognitive Radio and Device-to-Device Communications

Abstract

Cognitive radio and device-to-device (D2D) communication are promising technologies in fifth generation (5G) wireless communications to enhance spectral efficiency. In cognitive radio, unlicensed users, called secondary users, opportunistically utilize the spectrum of licensed users, called primary users. In D2D communication, two wireless devices communicate with each other directly. To improve reliability and data rate, various relaying techniques have been applied in cognitive radio and D2D communication. The dissertation consists of three main results. First, we investigate the underlay cognitive radio network with cascaded Rayleigh fading channels where secondary users transmit signal using multi-hop relaying. We analyze the outage probability of the secondary network for perfect channel state information (CSI) and imperfect CSI cases. For both perfect and imperfect CSI cases, we derive the exact outage probability of the secondary network with the maximum transmit power constraint in analytic form and the approximate outage probability of the secondary network without the maximum transmit power constraint in closed form. By using the outage probability, we propose the secondary user selection scheme to minimize the outage probability. The analytical results on the outage probabilities of the secondary network for perfect and imperfect CSI cases are verified by computer simulations. It is shown that the analytical results match well with the simulation results. It is also shown that the proposed scheme gives better outage performance than best user selection and conventional multi-hop relaying schemes. Second, we investigate cooperative D2D communications in a cellular network where D2D users not only transmit their own signals but also relay the signals of cellular users. We derive the approximate outage probability of a cellular user and the exact average achievable rate from a D2D transmitter to its corresponding receiver in analytic form. We find optimal spectrum allocation indicator and power allocation coefficient to maximize the total average achievable rate. Analytical results on the outage probability and average achievable rate are verified by computer simulations. The simulation result shows that the analytical results match well with the simulation results. It is shown that the cooperative D2D communication gives better outage probability and average achievable rate than the conventional D2D communication. It is also shown that the optimal subchannel allocation achieves higher total average achievable rate than the random subchannel allocation. Third, we investigate cooperative D2D communication in a non-orthogonal multiple access (NOMA)-based cellular network where D2D users act as relays for weak cellular users. We derive the exact outage probability of a strong cellular user and the approximate outage probability of a weak cellular user in analytic form. We also derive the exact average achievable rate at a D2D receiver in analytic form.We formulate an optimization problem to maximize the total average achievable rate at D2D receivers. The analytical results on the outage probability and average achievable rate are verified by computer simulations. Simulation results show that the analytical results perfectly match with the simulation results for the outage probability of a strong cellular user and the average achievable rate at a D2D receiver. It is shown that the gap between the analytical and simulation results is not large for the outage probability of a weak cellular user. It is also shown that the proposed D2D communication gives higher total average achievable rate than the conventional D2D communication.

인지 무선 통신과 단말간 직접 통신은 주파수 효율을 높이기 위한 5세대 이동통신에서의 핵심 요소 기술 중 하나이다. 인지 무선 통신은 허가된 사용자인 1차 사용자의 주파수 대역을 비허가 사용자인 2차 사용자가 기회적으로 사용하는 기술이다. 단말간 직접 통신은 두 명 이상의 사용자들이 기지국을 거치지 않고 직접적으로 통신하는 기술 이다. 이러한 인지 무선 통신과 단말간 직접 통신에 대하여 데이터 전송률 및 신뢰도를 향상시키기 위하여 다양한 중계 기술들이 적용이 되어왔다. 본 논문에서의 주요한 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 2차 사용자들이 다중 홉 전 송을 하는 인지 무선 네트워크에서 2차 사용자들 간의 채널을 연속 레일리(cascaded Rayleigh)로 모델링 하였을 때의 성능 분석을 진행한다. 2차 사용자가 1차 사용자와의 체널 정보를 완벽하게 알고 있는 경우와 불완전한 채널 정보만을 아는 경우에 대하여 2차 사용자 네트워크의 불능 확률(outage probability)을 유도한다. 또한 유도된 불능 확률을 이용하여 불능 확률을 최소화하는 최적의 홉 수와 2차 사용자들을 선택하는 방법을 제시한다. 둘째, 셀룰러 사용자들과 D2D 사용자들이 공존하는 셀룰러 네트워크에서 D2D 사용자가 셀룰러 사용자의 중계기 역할을 하는 협력적 단말간 통신(cooperative D2D communication)에 대한 성능 분석을 진행한다. 셀룰러 사용자의 불능 확률과 D2D 사 용자의 평균 데이터 전송률을 유도하고 이들을 컴퓨터 모의실험을 통해 얻어진 값들과 유사함을 확인한다. 또한 셀룰러 사용자들의 불능 확률이 적정 수준 이하가 되도록 하면서 D2D 사용자들의 평균 데이터 전송률을 최대화하는 최적의 주파수 및 전력 할 당 방법을 제시한다. 컴퓨터 모의실험을 통해 제시된 할당 방법이 임의(random) 할당 방법보다 더 좋은 성능을 보임을 확인한다. 셋째, 기지국이 NOMA(non-orthogonal multiple access, 비직교 다중 접속) 셀룰러 사용자들을 서비스하는 NOMA 셀룰러 네트워크에서 D2D 사용자가 약한(weak) 셀룰 러 사용자의 중계기 역할을 하는 협력적 단말간 통신에 대한 성능 분석을 진행한다. 강한(strong) 셀룰러 사용자의 불능 확률을 정확하게 유도하고 약한 셀룰러 사용자의 불능 확률을 근사적으로 유도한다. 또한 D2D 사용자의 평균 데이터 전송률을 정확하게 유도하고 이들과 컴퓨터 모의실험을 통해 얻어진 값들이 유사함을 확인한다. 이들을 이용하여 셀룰러 사용자들의 불능 확률이 적정 수준 이하가 되도록 하면서 D2D 사용자 들의 평균 데이터 전송률을 최대화하는 최적의 주파수 및 전력 할당 방법을 제시한다. 컴퓨터 모의실험을 통해 NOMA 셀룰러 네트워크에서 협력적 단말간 직접 통신이 기존 단말간 직접 통신에 비해 더 좋은 성능을 보임을 입증한다.