Desempenho de redes cooperativas do tipo full duplex e amplifica-e-encaminha com diversidade multiusuário e transferência sem fio simultânea de informação e potência

Abstract

In this work, a performance analysis in terms of the outage probability for a cooperative network consisting of one source, multiple relays capable of harvesting energy from radiofrequency signals, and multiple destinations is performed. The direct links between the source and destinations are assumed to be available, so that the communication between these nodes can be accomplished through these links as well as through the relaying links. It is also considered that the relays operate in full-duplex mode and with the variable-gain amplify-and-forward protocol. In this communication scheme, the selection of a destination and a relay for the transmission of messages from the source is considered, which is carried out in stages, based on the channel states, initially choosing a destination, and then, the relay that maximizes the signal received by the selected destination. At reception, the destination uses a selection scheme between the signal coming from the direct-transmission link and that coming from the relaying link. This study first characterizes the signal model, developed with the purpose of obtaining an analytical expression for the end-to-end signal-to-noise ratio (SNR) of the system, and, from this expression, a mathematical analysis is performed to obtain an asymptotic analytical expression to characterize the system performance, The obtained results show that the diversity order attained by the system is equal to the number of destinations, while the relays do not provide diversity gain, due to the self-interference phenomenon inherent to the full-duplex relaying mode. However, the use of relays allows for a better performance in low SNR, where the effect of self-interference is not too severe.

Neste trabalho é realizada uma análise do desempenho em termos da probabilidade de outage para uma rede cooperativa de duplo salto composta por uma fonte, múltiplos retransmissores capazes de captar energia a partir de sinais de radiofrequência e múltiplos destinos. Considera-se que os enlaces de transmissão direta entre a fonte e os destinos estão disponíveis e, portanto, a comunicação entre esses nós pode ser realizada tanto por meio desses enlaces diretos quanto pelos enlaces de retransmissão. Considera-se ainda que os retransmissores operam em modo full duplex e com o protocolo de retransmissão sendo o amplifica-e-encaminha de ganho variável. Neste esquema de comunicação, considera-se a seleção de um destino e um retransmissor para a transmissão das mensagens da fonte, que é realizada por etapas, baseada nos estados de canal, sendo escolhido inicialmente um destino e posteriormente, o retransmissor que maximiza o sinal recebido por esse destino. Na recepção, o destino usa um esquema de seleção entre o sinal proveniente do enlace de transmissão direta e aquele proveniente do enlace de retransmissão. Este estudo caracteriza primeiramente o modelo de sinais, desenvolvido com a finalidade de se obter uma expressão analítica para a relação sinal-ruído fim-afim do sistema e a partir desta, realiza-se uma análise matemática para a obtenção de uma expressão analítica assintótica da probabilidade de outage, a fim de caracterizar o desempenho do sistema. Os resultados obtidos indicam que a ordem de diversidade obtida pelo sistema é igual ao número de destinos, com os retransmissores não fornecendo ganho de diversidade, devido ao fenômeno de autointerferência inerente ao modo de retransmissão full duplex. Porém, o uso de retransmissores apresenta melhor desempenho no regime de baixa relação sinal-ruído, onde o efeito da autointerferência não se manifesta de forma mais severa.