Performance analysis of full duplex relaying in vehicular cooperative wireless communications

Eshteiwi, Khaled Mohamed (2020). Performance analysis of full duplex relaying in vehicular cooperative wireless communications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Vehicular communications, with their promise to provide drivers and passengers with a wide range of applications such as vehicle parking, accident response and traffic congestion avoidance are attracting significant attention from both research and industry. In addition V2V cooperative wireless networks could be used to share and exchange information between vehicles and also to provide a high data rate for functions like video streaming.

Vehicular Ad-Hoc NETworks (VANETs) have received significant attention in recent years due to their unique characteristics that distinguish them from Mobile Ad-Hoc NETworks (MANETs), including link failure, rapid topology change and high mobility that form a highly dynamic network. The main drawback of VANETs is the network instability, which reduces network efficiency. In light of the aforementioned characteristics, vehicle-to-vehicle (V2V) cooperative wireless communications can be a reliable solution for these networks. V2V wireless cooperation systems make use of better communication links between users to improve system performance in terms of communication reliability, road safety, and network connectivity. V2V cooperative wireless communications can also offer diversity, which increases the reliability by sending information via different paths, thereby increasing the probability of successful transmission. Therefore, in this work, we provide a comprehensive performance analysis of full duplex AF V2V cooperative wireless networks that help researchers for the design and implementation of vehicular communication systems.

Specifically, we first investigate full duplex relaying (FDR) networks applying amplify-andforward (AF) relaying in V2V cooperative communications. In this context, taking into account the self-interference (SI) at the relay and assuming independent but not necessarily identically distributed (i.n.i.d) generalized L-Nakagami m fading channels, we derive novel expressions for the probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) of the signal-to interference-plus-noise ratio (SINR) at the relay node. Capitalizing on this, a lower bound of the end-to-end outage probability is derived. The results show that the channel cascading, which has been shown to accurately characterize the statistical properties of V2V fading channels, significantly impacts the end-to-end outage probability of FDR V2V systems, and that the cascading of the source-relay link is more significant than the relay destination link.

Second, we explore the performance of FDR using AF technique in V2V cooperative wireless communications. In such systems, in practical scenarios, the communication link inevitably suffers from co-channel interference (CCI), SI, and blockage from other vehicles on the road. In this context, we consider i.n.i.d Nakagami-m fading channels and derive novel exact and asymptotic outage probabilities of the exact equivalent and approximated SINR respectively. Moreover, the end-to-end exact and asymptotic outage probabilities are expressed in terms of the blockage probability and then used to evaluate the throughput of the proposed system. In addition, a lower bound to the symbol error rate of the considered system is also derived. The results show the significant impact of the considered interference and blockage on the system performance. Also, the results establish that the outage probability, symbol error rate, and throughput are degraded when the average height of the obstacles is increased.

Third, we analyze the ergodic capacity of a dual-hop AF FDR system over Nakagami-m fading channels considering both SI and CCI at the relay and the destination nodes, respectively. For this scheme, new exact as well as lower bound expressions for the ergodic capacity are derived based on the analysis of the moment generating function (MGF) of the SINR. In addition, the ergodic capacity upper bound is derived based on the asymptotic outage probability of the approximated SINR. Our results show the significant impact of the considered interferences on the system performance. Moreover, interestingly, it is observed that FDR with SI and CCI still offers higher ergodic capacity than interference-free half duplex relaying, especially at medium and high signal-to-noise ratios (SNRs).

Finally, we present a best vehicular relay selection strategy for FDR V2V communication systems in a dense multi-lane highway. The proposed model assumes Nakagami-m fading channels in millimeter-wave (mmWave) networks and proposes two different FDR selection schemes such as self-interference (SI) and individual self-interference (ISI) vehicle relaying selections. Moreover, a blockage probability which captures the occurrences of line-of sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) propagations is devised. In this vein, a LOS link is considered available when the central lane is clear of vehicles between the source and destination nodes, while an NLOS link is assumed otherwise. The LOS/NLOS probabilities are combined together with the probability of blockage and then used to analyze the system performance. Moreover, lower bound expressions of the end-to-end outage probabilities are developed and used to express the throughput. Lastly, the theoretical results postulated and presented in this work are verified by numerical simulation for a variety of parameters.

Titre traduit

Analyse de la performance du relais duplex intégral dans les communications sans fil coopératives de véhicules

Résumé traduit

Les communications véhiculaires, qui promettent de fournir aux conducteurs et aux passagers un large éventail d’applications telles que le stationnement des véhicules, l’intervention en cas d’accident et l’évitement des embouteillages, suscitent une attention considérable de la part de la recherche et de l’industrie. En outre, les réseaux sans fil coopératifs V2V pourraient être utilisés pour partager et échanger des informations entre les véhicules et également pour fournir un débit de données élevé pour des fonctions telles que le streaming vidéo.

Les réseaux mobiles ad hoc (VANET) ont fait l’objet d’une attention particulière ces dernières années en raison de leurs caractéristiques uniques qui les distinguent des réseaux mobiles ad hoc (MANET), notamment la défaillance des liaisons, le changement rapide de topologie et la grande mobilité qui forment un réseau très dynamique. Le principal inconvénient des VANET est l’instabilité du réseau, qui réduit l’efficacité du réseau. Compte tenu des caractéristiques susmentionnées, les communications sans fil coopératives de véhicule à véhicule (V2V) peuvent constituer une solution fiable pour ces réseaux. Les systèmes de coopération sans fil V2V utilisent de meilleures liaisons de communication entre les utilisateurs pour améliorer les performances du système en termes de fiabilité de la communication, de sécurité routière et de connectivité du réseau. Les communications sans fil coopératives V2V peuvent également offrir de la diversité, ce qui augmente la fiabilité en envoyant des informations par différents chemins, augmentant ainsi la probabilité de réussite de la transmission. Par conséquent, dans ce travail, nous fournissons une analyse complète des performances des réseaux sans fil coopératifs AF V2V en duplex intégral qui aident les chercheurs à concevoir et à mettre en œuvre des systèmes de communication pour véhicules.

Plus précisément, nous étudions d’abord les réseaux de relais en duplex intégral (FDR) qui utilisent le relais amplifié et avancé (AF) dans les communications coopératives V2V. Dans ce contexte, en tenant compte de l’auto-interférence (SI) au niveau du relais et en supposant des canaux d’évanouissement généralisés indépendant mais pas nécessairement distribué de manière identique (i.n.i.d) L-Nakagami-m, nous dérivons de nouvelles expressions pour la fonction de densité de probabilité (PDF) et la fonction de distribution cumulative (CDF) du rapport signal/interférence-plus bruit (SINR) au niveau du nœud de relais. En capitalisant sur ces données, nous obtenons une limite inférieure de la probabilité de panne de bout en bout. Les résultats montrent que la mise en cascade des canaux, dont il a été démontré qu’elle caractérise avec précision les propriétés statistiques des canaux à évanouissement V2V, a un impact significatif sur la probabilité de coupure de bout en bout des systèmes FDR V2V, et que la mise en cascade de la liaison source-relais est plus importante que la liaison relais-destination.

Deuxièmement, nous explorons les performances de la FDR en utilisant la technique AF dans les communications sans fil coopératives V2V. Dans de tels systèmes, dans des scénarios pratiques, la liaison de communication souffre inévitablement d’interférences entre canaux (CCI), d’interférences entre véhicules et de blocage par d’autres véhicules sur la route. Dans ce contexte, nous considérons les canaux à évanouissement i.n.i.d Nakagamim et dérivons de nouvelles probabilités de coupure exactes et asymptotiques du SINR exact équivalent et approximatif respectivement. De plus, les probabilités de coupure exactes et asymptotiques de bout en bout sont exprimées en termes de probabilité de blocage et sont ensuite utilisées pour évaluer le débit du système proposé. En outre, une limite inférieure au taux d’erreur sur les symboles du système considéré est également dérivée. Les résultats montrent l’impact significatif de l’interférence et du blocage considérés sur la performance du système. De plus, les résultats établissent que la probabilité de panne, le taux d’erreur de symbole et le débit sont dégradés lorsque la hauteur moyenne des obstacles est augmentée.

Troisièmement, nous analysons la capacité ergodique d’un système FDR AF à double saut sur des canaux à évanouissement Nakagami en considérant à la fois le SI et le CCI aux nœuds relais et de destination, respectivement. Pour ce schéma, de nouvelles expressions exactes ainsi que des limites inférieures pour la capacité ergodique sont dérivées sur la base de l’analyse de la fonction génératrice de moment (MGF) du SINR. De plus, la limite supérieure de la capacité ergodique est dérivée sur la base de la probabilité de panne asymptotique du SINR approximé. Nos résultats montrent l’impact significatif des interférences considérées sur la performance du système. De plus, il est intéressant de noter que le FDR avec SI et CCI offre toujours une capacité ergodique plus élevée que le relais semi-duplex sans interférence, en particulier pour des rapports signal/bruit (SNR) moyens et élevés.

Enfin, nous présentons une meilleure stratégie de sélection de relais pour véhicules pour les systèmes de communication FDR V2V dans une autoroute dense à plusieurs voies. Le modèle proposé suppose des canaux d’évanouissement Nakagami-m dans les réseaux à ondes millimétriques (mmWave) et propose deux schémas de sélection FDR différents, tels que les sélections de relais de véhicule à auto-interférence (SI) et à auto-interférence individuelle (ISI). En outre, une probabilité de blocage qui saisit les occurrences de propagations en visibilité directe (LOS) et hors visibilité directe (NLOS) est mise au point. Dans cette optique, une liaison LOS est considérée comme disponible lorsque la voie centrale est libre de véhicules entre les nœuds d’origine et de destination, alors qu’une liaison NLOS est supposée être disponible dans le cas contraire. Les probabilités LOS/NLOS sont combinées avec la probabilité de blocage et utilisées pour analyser les performances du système. En outre, des expressions de limite inférieure des probabilités de coupure de bout en bout sont élaborées et utilisées pour exprimer le débit. Enfin, les résultats théoriques postulés et présentés dans ce travail sont vérifiés par simulation numérique pour une variété de paramètres.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy" Comprend des références bibliographiques (pages 143-161).
Mots-clés libres:	véhicule à véhicule, duplex intégral, évanouissement L-Nakagami-m canal de fondu enchaîné, interférences dans le même canal, probabilité de panne, capacité ergodique, débit
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kaddoum, Georges
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	07 janv. 2021 18:26
Dernière modification:	07 janv. 2021 18:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2593

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