بررسي و تحليل كارايي سيستم‌هاي ارتباط مشاركتي رله‌اي تقويت و ارسال با انتخاب بهترين رله به همراه اشتراك‌گذاري طيف در سيستم‌هاي راديوشناختي

Performance Evaluation of Cooperative Amplify-and-Forward Relaying Systems in a Spectrum Sharing Cognitive Radio with Relay Selection

در اين مقاله به تحليل و ارزيابي كارايي دو سيستم اشتراك‌گذاري طيف راديوشناختي مشاركتي مبتني بر رله‌ي انتخابي پرداخته مي‌شود. در اين سيستم‌ها يك كاربر ثانويه (بدون مجوز)، طيف كاربر اوليه‌اي (مجوزدار) را بطور مشترك استفاده مي‌كند به گونه‌اي كه تداخل ناشي از سيگنال كاربر ثانويه در گيرنده كاربر اوليه همواره كمتر از مقدار آستانه‌ي از پيش تعيين شده باشد، بدين منظور از يك مكانيزم كنترل توان در فرستنده كاربر ثانويه استفاده مي‌شود. در سيستم‌هاي مورد نظر، كاربر ثانويه از شبكه‌ي مشاركتي كه شامل چندين رله تقويت و ارسال مي‌باشد، استفاده مي‌كند كه در آن، در هر لحظه فقط يك رله‌ي داراي بهترين شرايط كانال، انتخاب شده و استفاده مي‌شود. تفاوت دو سيستم فوق در روش انتخاب بهترين رله مي‌باشد، بطوريكه: 1) در سيستم اول، روش انتخاب رله‌ي جزئي است كه بر اساس اطلاعات جزئي از كانال‌ها انجام مي‌گيرد. 2) در سيستم دوم، روش انتخاب رله‌ي فرصت طلبانه است كه بر اساس اطلاعات كامل كانال‌ها انجام مي‌شود. براي ارزيابي كارايي سيستم‌ها ابتدا تابع توزيع تجمعي نسبت سيگنال-به-نويز را در گيرنده‌ ثانويه براي هر دو سيستم بدست آورده و سپس روابط رياضي براي سه معيار مهم ارزيابي كارايي سيستم‌هاي مخابراتي يعني احتمال قطع، نرخ خطاي بيت و ظرفيت ميانگين كانال تعيين مي‌شود. سپس با استفاده از نتايج عددي حاصل از روابط بدست آمده، عملكرد سيستم‌هاي ذكر ‌شده با معيارهاي مذكور مورد بررسي قرار مي‌گيرد. براي تاييد روابط رياضي به دست آمده، از مقايسه‌ي نتايج عددي حاصل با نتايج شبيه‌سازي مونت‌-كارلو استفاده مي‌شود كه نشانگر صحت روابط بدست آمده است.

This paper presents performance evaluations for two spectrum-sharing cognitive-radio systems employing cooperative amplify-and-forward relaying in which the best relay is selected for the transmission. In these systems, a secondary user (SU, unlicensed user) shares the spectrum of a primary user (PU, licensed user), in such a way that the interference to the PU is always kept below a predefined threshold. To this end, a power control for the SU is used. In these systems, the SU employs an amplify-and-forward relaying with several relays, where the best relay who has the best channel condition is selected for the transmission. The considered systems are different in the employed relay selection schemes, such that: 1) In the first system, partial relay selection is employed, in which the partial channel state information (CSI) is used to select the best relay. 2) In the second system opportunistic relay selection is employed, in which the full CSI is used to select the best relay. To analyze the system performances, at first the cumulative distribution function (CDF) of the received signal-to-noise-ratio (SNR) for each considered system is derived. Then, using the obtained CDF expressions, closed-form expressions are obtained for three performance metrics: outage probability, the average bit-error-rate (BER), and the average channel capacity. Finally, using the numerical results obtained from the mathematical formulas derived in this paper, we evaluate and compare the systems performances in different cases under different conditions. In addition, to verify the accuracy of the performed analysis, Monte-Carlo simulation results are also provided.