Nesta tese estudamos redes cooperativas em modo de operação Full-Duplex (FD). Para tanto, usamos conceitos de teoria da informação e da comunicação, além de estatística aplicada. Assim, fornecemos uma extensa análise de desempenho de sistemas cooperativos em modo FD. Além disso, demonstramos que a operação de relays em modo FD é possível, mesmo sofrendo intensos níveis de auto-interferência. Mostramos também sua aplicação em diversos cenários. Ademais, os resultados obtidos através deste trabalho servem como referência para o design e desenvolvimento de futuras tecnologias de comunicação sem-fio. Primeiramente, contribuímos com uma extensa revisão do estado da arte em comunicações em modo FD, especificamente relays FD, e além disto revisitamos as principais propriedades de esquemas de comunicação cooperativa. Analisamos de maneira extensiva o desempenho de esquemas com relays FD em ambientes com desvanecimento do tipo Rayleigh em termos probabilidade de falha de comunicação, vazão e eficiência energética. Além de todo arcabouço matemático introduzido nesta tese, também identificamos os casos em que sistemas cooperativos em mode Half-Duplex (HD) podem ser vantajosos comparados aos esquemas FD com auto-interferência. Assim, discutimos as relações de custo-benefício entre esquemas HD e FD e entre vazão e eficiência energética. A seguir, elaboramos o modelo estudado e estendemos os resultados iniciais para incorporar os casos com modelos mais gerais de desvanecimento, conhecidos como Nakagami-m. Estes resultados auxiliam na compreensão dos efeitos da auto-interferência residual e linha de visada em sistemas com relays FD. Por fim, contribuímos também com uma análise de desempenho de sistemas cooperativos seguros. Para tanto, usamos ferramentas da teoria da informação para aumentar a privacidade e confidencialidade da comunicação em canais sem-fio. Sendo assim, fornecemos um extenso arcabouço matemático para canais com desvanecimento composto. Além disto, demonstramos que, mesmo sofrendo forte auto-interferência, comunicação segura com relays FD pode também ser obtida, uma vez
que segurança perfeita pode ser obtida. / In this thesis we study Full-Duplex (FD) cooperative networks from different perspectives, using concepts of information theory, communication theory and applied statistics. We provide a comprehensive performance analysis of cooperative communications systems operating with FD relays. We demonstrate that FD relaying is feasible even when experiencing strong self-interference, and we show its application under different scenarios. More importantly, the results attained through this work serve as a benchmark for design as well as deployment of current and future wireless communications technologies. Our first contribution is a comprehensive overview of the state-of-the-art on FD communications, more specifically on FD relaying, and we revisit some of the main properties of cooperative schemes. Another contribution comes from an extensive analysis of outage probability, throughput and energy efficiency of FD relaying over Rayleigh fading channels. Besides the mathematical framework introduced herein, we also show that in some cases cooperative Half-Duplex (HD) schemes achieve better performance than FD relaying with self-interference. Therefore, we draw a
discussion on the trade-offs between HD and FD schemes as well as between throughput and energy efficiency. Then, we investigate the performance of FD relaying protocols under general fading settings, namely Nakagami-m fading. Our findings allow a better understanding of effects of the residual self-interference and line-of-sight on a FD relaying setup. Our final contribution lies on the performance analysis of secure cooperative networks relying on information theoretical metrics to provide enhanced privacy and confidentiality to wireless networks. Thus, we provide a comprehensive mathematical framework for composite fading channels. Even though experiencing strong self-interference, we demonstrate that FD relaying is feasible also under secrecy constraints, thus perfect secrecy can be achieved.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/1253 |
| Date | 27 March 2015 |
| Creators | Alves, Hirley |
| Contributors | Souza, Richard Demo, Latva-aho, Matti |
| Publisher | Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UTFPR, instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná, instacron:UTFPR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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