Indonesi an  Journa of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   9 , No .   2 Februa ry   201 8 ,  pp.  526 ~ 538   IS S N:  25 02 - 4752 DOI: 10 .11 591/ ijeecs . v9.i 2 . pp 5 26 - 538          526       Journ al h om e page http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Perform ance  of   Ful l - Dupl ex  On e - Way  an d   Two - Way  Coopera tive Rela ying Net works        Arun m oz hi.S 1 , Na ga r aja n.G 2   1 Resea rch   Schol ar/   SC SV MV   Univesity ,   Kan cheepura m ,   Ind ia.   2 Pr ofess or,  De pt. of  ECE,P on diche rr y E ngin eerin Coll e ge, Pon diche rr y,  I nd ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   O ct   5 , 2 01 7   Re vised  N ov   18 , 2 01 7   Accepte Ja n 2 , 201 8       The   wire l ess  rese arc req uir es  conc urre n tra ns m ission  and  rec ept ion  in  single   ti m e /fre q uency   ch anne with  good  spec tra l   eff icien c y .   Th Full  duplex   s y stem  is  th al t ern ate  for  th conv ent ion al  hal dup le x   sy stems .   An   inve stigation  on   the   ne ed  for   fu ll   dupl ex  two  w a y   (FD - TWR)  a nd  one  w a y   rel a y i ng  (FD - O W R)  to  improv the   per fo rm anc of  outa g pr obabi lit y   an d   ave rag rate  em plo y ing  amplif y - and - forward  (AF and  dec ode - a nd - forward  (DF protoc ol  is  conside red .   Furt her   the  re lay ing   s y stems   per form anc e   under   the   ne twork  c oding  sche m es  is  ta ken  int o   conside ra ti on .   The   out age  proba bil i t y   and   ave rag ra te   of   FD - T W and  FD - O W using  ph y sic al  lay er  ne twork  codi ng  was  per form ed.   In  cont rast  to  straightforward   net work  codi ng   which  per form ari thmeti fun ct ion  on  digi t al  bit   strea m s   aft er  informa ti o have   bee r e ce iv ed.   Th res ult   show the   DF   protoc ol   ac hi eve be t t er  outa ge   proba bi lit y   and   ave r age  rat e ,   when   compare to  th e   AF   protoc ol.  And  compari ng  the  full  duple x   sche m es  li ke  FD - T W and  FD - OW R,   it   is  found  tha th FD - T W ac hie ves  be tt er  out age   prob abi lit y   an d   ave rag rate,   when  compare d   to  the   FD - OW R.   The   per fo rm anc was  ext end ed  with  diffe ren loop  i nte rfe r ence  among  the   rel a y   an te nnas.   Th e   per form anc show   tha FD - TWR  per forms  well   eve in  spite   of  loop   int erf ere n ce .   Ke yw or d s :   AF   proto col.   Fu ll - duplex   Ph ysi cal   la ye netw ork  c odin (P NC )   Tw o - way Re la y   Copyri ght  ©   201 8   Instit ut o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e   Al l   rights re serv ed .   Corres pond in Aut h or :   Arun m ozh i. S   Re se arch Sc hola r/ SCSV M V Un i vesity ,   Kan c hee puram , In dia.   Em a il s_ arun m ozh i@red if f m ai l.co m       1.   INTROD U CTION     Cooperati ve  c omm un ic at ion   is  on of  the  luring  resea rc ti tl es  wh ic offe bette re su lt   for  the   batte ry  li fe  crisi and   i m pr ov i ng   the  tra nsm issi on   capa ci ty Coo per at ive  div e rs it can  be  de fine as  a   nu m erous  a ntenn a   te ch nique   pro po s ed  t i m pr ov the   w ho le   netw ork   c hannel  ca pacit ie s   inten ded   f or  any   sp eci fied  set   of  ba ndwidt hs In   the  wireless   m ulti - hop  net works  the  us e di ver sit can   be  f ur t her   devel op e by the c om bina ti on   of r el ay e si gn al  a nd th e d irect  si gnal  that is  bein r ec ei ved .   Com par ed  to   the  half  duplex   relay ing f ull  duple ac hieve  higher  ca pacit in  both  t ran s m issi on   an receptio on   t he  sam carrier  fr e que ncy.  T he  capaci ty   tr adeoff  betwee A base f ull  duplex  with  sel f - interfe ren ce  a nd  half  duple unde abse nce  of   fad i ng   i th so urce - relay   and   sel f - i nterference  c ha nn el was   stud ie [1 ] T he   capaci ty   tradeo f betwee DF   base f ull  duplex  with  se lf - inter fer e nce  and   half  du plex  unde abse nce  of   fa din g i t he  s ourc e - re la y an d sel f - inte rf e ren ce  c hannels  was  a na ly zed [2].   Fu rt her   t he  ca pa ci ty   tradeo f betwee Am plify  and   Forwa r ( AF)  ba sed  f ull  duplex   an half - duple relay ing   was  giv e [3 ]   with   an  as su m ption   that  t he  s ource - relay   cha nnel   was   un der  fad i ng.  T he  ou ta ge   pro ba bili ty   was  der ive us i ng  the  assum ption   that  there  wa no   direct  li nk  between   the  s ource  an desti nation  nodes T wo  ga in  c on tr ol  sc hem es  fo r   th AF  based  fu ll   duplex   prot oco m axim iz ing   the  Sign al - to  In te r fer e nce -   pl us - No ise   Ra ti (SINR an decr ease tra n sm it   po wer   wa ob ta ine [ 4].     The  ou ta ge   analy sis  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Tit le  o f m anusc ript is s ho rt  and cl ear , impli es rese ar ch  res ults ( First  Au th or )   527   for  DF   base FD - O W unde the  ass um pt ion   that  th ere  was  no   direct  li nk   bet w een  the  s ourc and   destinat io n nod es g i ves  the  cond it io ns  t o gu a ran te e s uperi or full - duple a ga inst half - dupl ex  m od [5 ] .   The  ac h ie va bl rate  for  t he  DF   base f ull - duplex   m ulti pl input  m ulti ple - outp ut  (MIM O)  one - way   relay ing And  then,   resid ual  sel f - inter fere nc e,  direct  li nk,  lim it ed  transm it te r/recei ver   dy nam ic   ran ge  an i m per fect  channel  sta te   info r m at ion   (CSI ) wer al so   ta ke i nto   co ns ide rati on   [ 6].  I [ 7]  co m bin at ion   of   opport un ist ic   f ull - du plex/hal f - du plex  m od sel ect ion   an t ran sm it te power   a dap ta ti on   for  m axi m iz i ng   t he  sp ect r um  eff ic ie ncy w a s a naly zed.    com par iso on   t he  outa ge  pro bab il it and   syst em   throu ghput  for  tw o - way  half - duplex  to  one - way  f ull - du plex  r el ay ing   wa car ried  out  and  the  FD - O WR  c ou l ou t perform   bid ire ct ion al   ha lf - du plex  relay ing ,  ev e n i the  presenc e  of self - inter fere nce  [8 - 9].   The  th r oughpu and   outa ge  pro ba bili ty   of   fu ll - duple bl ock   Ma r kov  r el ay ing   schem with  sel f   interfe ren ce   at   the  relay   unde in dep e nde nt  non - ide ntica ll distrib uted  Nak a gam i - m   fad in [ 10] T he   pair - wise  er r or   pro bab il it y,  bit  er ror  r at (BER)   an div e rsity   pe rfor m ance  of   t he  AF   bas ed  fu ll - duplex   li nea r   relay ing   an dual - hop  sy ste m s,   un de the  eff ect   of  resid ual  sel f - inter fe ren ce  [ 11] In   [12],  the  virt ua fu ll - duplex   relay in by  m eans  of   two  half - dupl ex  relay w hic was  a   go od  al te rn at ive  befor e   sta ndar dizing  f ull - duplex  te ch nolog y.  I the  sa m wo r k,   sel f - interfe ren ce  is  rep la c e by  inter - relay   interfe ren ce  in  this  vi rtua l   ver si on is c on s idere d.   The  outa ge  prob a bili ty   of   a   va riable - gain   AF  base F D - O W R   with   direct  li nk  t half - dupl e counter par a nd  pro pose highly   exact  appr ox im at ion   to  the  ou ta ge  pro bab il it y.  FD - T WR  ca f ur t her  i m pr ove  syst em   capaci ty   by   achievin bi di recti on al   data   transm issi on   and   receptio on   t he  sam c arr ie r   fr e qu e ncy sim ultaneo us ly  [1 3 - 14] .   The  achie vab l rate  reg io fo F D - T WR   without  resid ual  sel f - inter f eren ce Also   der i ved   this  achieva ble  rate   reg io bu the assum ed  the  existe nce  of  re sidu al   sel f - inte rf e ren ce  a nd   t he   resour ce  e ff i ci ency   of   tw o - way  an f ull - duple r el ay ing   syst e m [15 - 18] The the  di ver sit y - m ulti plexing   trade off  of  F D - T WR   and  p r opose a   com pr ess  an forw a r strat eg to  achieve  th op t im al   div ersit y - m ulti plexing   tra de off.  I [19],   the  ou ta ge  pro bab il it of   the   AF   base FD - T W wit re sidu al   sel f - i nterf e ren ce in  case  of   the  pe rf e ct   and  i m per fect CS I a nd d e rive a ppr oxim a te  closed   form  ex pr es sion s .   An   opti m al  m a x - m in  relay   selecti on   schem of   the  A base relay ing   an stud ie it BE R,  ergod ic   capaci ty   and   ou ta ge  pro ba bi li t [2 0].  I the  sam wo rk,  an  opti m a po we al locat io an du plex  m od e   sel ect ion   to   m i nim iz the  outa ge  probabil it was  al s pr ese nted.  I [21],  t he  Degree  of  F reedom   (D oF of   t he   K - pair - us e with  MIM re la y.  In   this a   fu ll   du plex  P NC,  in  w hich  the  relay   us e detect - an d - f orward   te chn iq ue  a nd  the  m axi m u m   li kelihoo (ML)  based   joint  detect io to  el i m inate  the  m ult iple  acce ss   interfe ren ce  [2 2].    The  F ull  Dupl ex  syst em   can  b analy zed  by  us in the  Ph ysi cal   la ye netw ork  co di ng   a nd  the  perform ance  of   outa ge  probabil it and   av erag rate  are   i m pr ov e d.   T he   rest  of   the  pap e is  orga ni zed  as   fo ll ows:  T he  s yst e m   m od el   hav in relay was  disc us se in  sect ion  I I.                                Sect i on   III  give the   perform ance  evaluati on  of  th Nth  best  rela sel ect ion   sche m ov er  the  AF   an D Ch ann el s The  si m ula ti on   resu lt s a re  pr es ented  i th e se ct ion   IV an c on cl us io is  di scusse i the   sect ion   V.       2.   SY STE M MO DEL   three - no de  FD - T W m odel   wh ic c on si sts  of   tw node an B,  and   relay is  consi der e i with  F D - O W R   and   FD - T WR I each  ti m slot,  F D - O W R   can  ac hieve  unidirect io nal  da ta   transm issi on   an receptio betw een n odes   sou r ce(S)  an desti nation  ( D)  via the  relay  o th sam carrier  fr e qu e ncy , while   FD - T W can   ach ie ve  bi directi onal   data  tra nsm issi on   an r ecepti on.  T his   m eans  that  F D - T WR  ca f ur t her  m ul ti plex  the  t ran sm it t ing   a nd  recei ving  ti m e,  com par ed   with  F D - O W R.  More over on ly   the  relay   in  F D - O W wor ks   in  f ull - du plex,   wh e reas  al th nodes   in  FD - T W operate   in  this  m od e.  Ther e fore,  F D - T WR   would  s uffer  f r om   m or severe   sel f - inter fer e nce,  al so   cal le Lo op  I nterf e r ence  (L I),  caus ed  by  the  c o - c hannel   transm issi on   and   im per fect  interfe re nce  ca ncell at ion c om par ed  with  FD - O WR.  F urt her m or e,  F D - T W R   is  si m il ar  to  half - du plex  tw o - w ay   relay ing   [7 ]   an sti ll   con s ist of   t he  m ulti ple  acce ss  ( MAC)  a nd  bro adcast   (BC) stages . Bu t, these stage s  in  FD - T W R c an  be per form e in p a rall el , in t he  sam e  tim slot and  t hu s , a ll  the   nodes  w ork  in  fu ll - duplex  m od an suffe f ro m   residu al   sel f - inter fer e nc e.  In   cel lular  ne tworks the  node  A,  relay   and   node   B,  are  de no te as  the  U s er  Eq uip m ent  (U E ),   Re la Node  (R N)   a nd  Ba se  Stat io (BS ),  resp ect ively .   The  i nvolv e c hannels  a re no de  to   relay  (SR ),  r el ay   to   node  A  ( RS),  n ode  B   to r el ay   ( DR),  relay   t node  (RD ),  and   resi du al   sel f - inter fere nc in  node  S,  relay   and   no de   D.   The  c orr esp onding  cha nn el   coeffic ie nts  a r de note as  h SR   ,   h RS   h DR   h RD   h SS   h RR   h DD   .   T hu s   the   in sta nt aneous   noise   s ign al - to - no ise  r at io  (SN R),    γ    is a e xponentia l ra ndom  v a riable (R V)  with  pro bab il it y densi ty  f unct ion   (PDF ),   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 Fe bruary  2 01 8   :   526     538   528     f γ ̅ ( γ ) = ( 1 / γ ̅ ) e γ / γ ̅       wh e re,   γ ̅    is an i ns ta nta neous S NR.     The  i ns ta nta ne ou s  c hannel S NR is  γ = | h | 2 P / σ 2   wh e re,   is   c ha nn el   c oeffici ent,    σ 2   is  noise   powe r.  T he   nor m al iz ed  trans m itted  powers  of  a   no de  S,   r el ay ,   node   D   are     P S = 1   , P R = 1   P D = 1   res pecti vely   and  the   re sid ua sel i nterf e r ence  c ha nn el s   are  ass um ed  to  be   ide ntica l,  i. e.    γ ̅ SS = γ ̅ RR = γ ̅ DD = γ ̅ LI F or  FD - T WR,   the   relay   si m ultaneou sly   recei ves   sig na ls  f ro m   both   so urce  nodes  an B,  an the  resid ual  se lf - inter fer e nce  cause by  it co - c ha nn el   tra ns m issi on   signa and  then f orwards t hem  to  the c orr esp onding  dest inati on   node B an d A.           Figure  1. Syst em   Mod el   of   Ful l - Duplex   Tw W ay   a nd  O ne Way  Rel ay ing       The  destinat io nodes  an si m ultaneou sly   receive  sign al f orwa rd e by  the  relay   and   re sid ual   sel f - inter fere nc create by  t he ir  co - cha nnel   transm itted  sig nals.In  t he  k - t ti m slot,  the  signa ls  recei ved  at   th e relay (R) , n od e s D a nd S  c an be e xpresse as ,     y R [ k ] = h SR x S [ k ] + h DR x D [ k ] + h RR t R [ k ] + n R [ k ]                                       (1)     [ ] =  [ ] +  [ ] + [ ]               (2)     [ ] =  [ ] +  [ ]                 (3)     wh e re    t R [ k ]   ,   t D [ k ]    an d   t S [ k ]    a re th e  tra nsm itted sig nals  of the  relay , nodes  a nd S  r e sp ect ively .         3.   PERFO R MANC M ODEL   The per f or m ance of th e  DF  ba sed Full   Dupl ex  a nd AF  bas ed  F D rel ay  is  pr ese nted  h e re.     3.1 DF b as e FD  - T WR   The  DF  ba sed   FD - T W R   with   PN C the   rela decodes   the   sign al receive from   bo th   source   no des  S   and  D a nd  t he it   im ple m e nts  P NC  t re cod e   the   dec oded   data  an forw a r ds   th r ecod e data  t t he   destinat io no des  an S.  Af te r ecei ving  the  netw ork   cod e signa ls  fr om   the  relay the  nodes  an S   perform  d eco din g t o o btain t he ir d esi red data , r es pecti vely .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Tit le  o f m anusc ript is s ho rt  and cl ear , impli es rese ar ch  res ults ( First  Au th or )   529     =  +  ̅  + 1   ,       =  ̅  + 1   ,       =  ̅  + 1       Fo t he  DF   ba sed  F D - T WR  with  PN C in  k - th  tim slot,  the  sign al   tra nsm it te at   the  relay   can  be   expresse as ,       [ ] = [ ] [ ]                                                               (4)     The n,  t he  insta ntane ous S NR  of the si gn al   re cei ved  at  the  re la y ca be  e xpr essed  a s,     = { |  [ ] | 2 } + { |  [ ] | 2 } { |  [ ] | 2 } + { | [ ] | 2 }       =  +  ̅  + 1                   (5)     Substi tute eq ua ti on   (4)  in  (2) a nd (3)     [ ] =  ( [ ] [ ] ) +  [ ] + [ ]         (6)     [ ] =  ( [ ] [ ] ) +  [ ] + [ ]         (7)     Since  both   des ti nation  nodes  an know   their  preci ousl transm itted  da ta they   can  s ub t ract  the   back - prop a gati ng  sel i nter fe ren ce   in  ( 6)   a nd  ( 7)  afte de cod i ng,  t hrough  bit - le vel  X OR  op e rati on.   The   instanta ne ous  SN Rs  of sig na l s r ecei ve at  nod e s D a nd S  c an be  resp ect i ve ly  ex presse a s,     = { |  [ ] | 2 } { |  [ ] | 2 } + { | [ ] | 2 }       =  ̅  + 1                                                 (8)     Si m il arly  at no de  S ,     = { |  [ ] | 2 } { |  [ ] | 2 } + { | [ ] | 2 }       =  ̅  + 1                     (9)     3.1.1  Av er age  Rate   The  a ver a ge  r at for  the  D base F ull - Duplex   tw o - w ay   relay ing   e qu al t he  a ve rag of  the  m ini m u m  o th e   rate f or the  s ource - relay  and  relay - destina ti on  c hannels i ,   R ̅ = ε { min   ( log 2 ( 1 + γ R ) , min ( log 2 ( 1 + γ S 2R ) , log 2 ( 1 +                   γ R 2 D ) ) + min   ( log 2 ( 1 + γ D2R ) , log 2 ( 1 + γ R2S ) ) ) }     ̅  ( {  2 ( 1 + ) } , {  2 ( 1 +  ( 2 , 2 ) ) } , + {  2 ( 1 +  ( 2 , 2 ) ) } )                         (10)     Applyi ng Je nse n’ s  ine qu al it y i a bove  e quat ion ,     {  2 ( 1 + ) } = {  2 ( 1 +  +  ̅  + 1 ) }             (11)     {  2 ( 1 + ) } = 1  2 {  ( 1 + + ̅  + 1 ) ̅  ̅   + 0                         1 ̅  + 1 + + 0 0 ̅  ̅  ̅   }     (12)     I orde t de rive  t he  cl ose form -   expre ssion  co nvenie ntly we  first  def i ne  ra ndom   var ia ble  as  the   m ini m u m  o γ S2R   and   γ R 2 D   ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 Fe bruary  2 01 8   :   526     538   530     =  ( 2 , 2 )       =  ( ̅  ̅  + 1 , ̅  ̅  + 1 )                               (13)     The n,   we de duce it s cu m ulativ distrib utive  functi on ( C DF),     ( ) = ( ) = (  ( 2 , 2 ) )     { 1 ( ̅  ( ̅  + 1 ) + ̅  ( ̅  + 1 ) ) ̅  ̅  , > 0 0 ,                                                                                                       0                                                             (14)     Ba sed on CD of X ,   ε { log 2 ( 1 + min   ( γ S 2 R , γ R 2 D ) ) }    is de riv ed  as ,   ̅  = {  2 ( 1 +  ( 2 , 2 ) ) }     ̅  =  2 ( 1 + ) ( ) 0          ̅  = 1  2 ( ̅  ( ̅  + 1 ) + ̅  ( ̅  + 1 ) ) ̅  ̅  × 1 ( ( ̅  ( ̅  + 1 ) + ̅  ( ̅  + 1 ) ) ̅  ̅  )       (15)     Si m il arly ε { log 2 ( 1 + min   ( γ D2R , γ R2S ) ) }    is  r epr ese nted  as,   ̅  = {  2 ( 1 +  ( 2 , 2 ) ) }       ̅  = 1  2 ( ̅  ( ̅  + 1 ) + ̅  ( ̅  + 1 ) ) ̅  ̅  × 1 ( ( ̅  ( ̅  + 1 ) + ̅  ( ̅  + 1 ) ) ̅  ̅  )       (16)     Substi tute eq ua ti on   (12),  (14)  and ( 15)  i n (10 ), T he  a ver a ge r at e o f  for t he D F b as ed  FD - T WR is e xpress ed  as ,     ̅   ,  ̅  ̅  + 1 ̅  1 ( ̅  + 1 ̅  ) ̅  ̅  + 1 ̅  1 ( ̅  + 1 ̅  ) (  2 ) ( ̅  ̅  ) ,       1  2 ̅  ( ̅  + 1 ) + ̅  ( ̅  + 1 ) ̅  ̅  1 ( ̅  ( ̅  + 1 ) + ̅  ( ̅  + 1 ) ̅  ̅  )       + 1  2 ̅  ( ̅  + 1 ) + ̅  ( ̅  + 1 ) ̅  ̅  1 ( ̅  ( ̅  + 1 ) + ̅  ( ̅  + 1 ) ̅  ̅  )         (17)     Accor ding to  [(2), (5),(6 )], the  av e rag e  r at f or the  DF base F D - O WR ca n be e xpresse d as,     ̅ = {  2 ( 1 + ( , ) ) }                                   (18)     ̅ = 1  2   (  +  (  + 1 ) )   1 (  +  (  + 1 )   )           (19)     3.1.2 O uta ge Pr obabil ity   The o utage pr obabili ty  o f  the  DF   base F D - T W from [3 3,(14),( 15)],       = 1 ( { { 2  } { 2  } { 2  } { 2  } } { { 2  } { 2  } { 2  } { 2  } } )             (20)     2  =   + ̅  + 1     ,   2  =  ̅  + 1   2  =   + ̅  + 1     2  =  ̅  + 1 , 2  =  ̅  + 1 , 2  =  ̅  + 1             (21)     Substi tute ( 21)  in (2 0),     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Tit le  o f m anusc ript is s ho rt  and cl ear , impli es rese ar ch  res ults ( First  Au th or )   531   CASE 1   1   ,       ,  =     1 1 ̅  ̅  1 ̅  ̅   ( + ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 )       1 ̅  ̅  1 ̅  ̅          ( + ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 )             (22)     CASE 2 :   ( 0 , 1 )       , 1 ̅  ̅  + ̅  ( ̅  + 1 ) ( ̅  + ̅  + ̅  ) ̅  ̅                              ̅  ̅  + ̅  ( ̅  + 1 ) ( ̅  + ̅  + ̅  ) ̅  ̅  +     ( 1 ) 2 ̅  ̅  ( ̅  + ̅  ) ( ̅  + ̅  ) ( ̅  + 1 ) ( ̅  + ̅  ) ( 1 ) ̅  ̅              (23)     Her e  the  outa ge  proba bili ty  o the  DF  based  FD - T W R  w it PN C, is  g i ven in e qu at io n ( 24) .     {                 1 ̅  ̅  + ̅  ( ̅  + 1 ) ( ̅  + ̅  ) ̅  ̅            ̅  ̅  + ̅  ( ̅  + 1 ) ( ̅  + ̅  + ̅  ) ̅  ̅  , 1 1 ̅  ̅  + ̅  ( ̅  + 1 ) ( ̅  + ̅  ) ̅  ̅  ̅  ̅  + ̅  ( ̅  + 1 ) ( ̅  + ̅  + ̅  ) ̅  ̅ + ( 1 2 ) ̅  ̅  ( ̅  + ̅  ) ( ̅  + ̅  ) ( ̅  + 1 ) ( ̅  + ̅  ) ( 1 ) ̅  ̅  ,                                      ( 0 , 1 )                         (24)     Accor ding to  [(5),  ( 3) ]  the  ou ta ge  pr ob a bili ty  o f  D F  b a sed   FD - O WR is,       = 1 ( 1 1  ̅  (  + 1 ) 0  ) × ( 1 1 ̅  0 ̅   )       = 1 ( ̅  + ̅  ( ̅  + 1 ) ) ̅  ̅                (25)     The  c om par iso of   (24 a nd   ( 25)  rev eal t ha the  outa ge  pr ob a bili ty   of   th DF   base F D - T WR  with   PN is  higher   than   that  in   the  DF   base FD - O WR,  bec ause  resid ual  sel inter f ere nc e,  ge ne rated  at   the   destinat io n nod es due t thei r c o - c ha nn el  t ra ns m issi on , det erior at es  the  S NRs  of  t he rec ei ved   sig nal.     3.2 AF b as e FD  - TWR   In  the  AF  ba sed  FD - O WR,   in  t he  k - t t i m slot,  the  sign al   t ran sm i tt ed  by  t he  re la is  the   a m plific at ion  of  the  prio rec e ived si gnal  and  it  can be e xpre ssed  as ,     [ ] = [ ]                 (26)     Wh e re    is t he  a m pl ific at ion  f a ct or ,  which  d e pends  on t he  c hannel c oeffici ents, a nd    is t he  pro ces sin g d el ay .   Sub e qu at io n ( 1) in  (26 )     [ ] = (  [ ] +  [ ] +  [ ] +   [ ] )             (27)     The  i ns ta nta ne ou s  tra ns m itted pow e is e xpre ssed  as ,     { | [ ] | 2 } = 2 ( |  | 2 + |  | 2 + |  | 2 { | [ ] | 2 } +     2 )       (28)     Con si der i ng th e pow e c onstr ai nt of  P R   at  th r el ay  an a ssu m ing  t hat it s tra nsm it t ing   power i ε { | t R [ k ] | 2 } = P R = 1 . T hen,     2 = 1 |  | 2 + |  | 2 + |  | 2 + 2         = [ |  | 2 + |  | 2 + |  | 2 + 2 ] 1 2               (29)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 Fe bruary  2 01 8   :   526     538   532     wh e re   h RR   is  resi du al   sel f - i nterf e r ence  a fter   inte r fer e nce   cancel l at ion .   T he  rece ived   sig nal  at   node   can  be  e xpress ed  as ,   Sub e qu at io n ( 27)  i ( 2)     [ ] =  [ (  ( ) +  ( ) +      ( ) + ( ) ) ] +  [ ] +   [ ]   =  (  ( ) +  ( ) +    ( ) + ( ) ) +  [ ] +                                       (30)   Since  the  node   know  their  transm it te s ym bo ls,  the  ba ck - pro pag at i ng  sel f - i nterf e re n ce  can  be   su bt racted.     [ ] =  (  ( ) +  ( ) + ( ) ) +  [ ] + [ ]       The  i ns ta nta ne ou s  po wer rece ived  at  t hese  node s ar e  exp re ssed  as ,     { | [ ] | 2 } = 2 |  | 2 ( |  | 2 + |  | 2 { | [ ] | 2 } + 2 ) + |  | 2 + 2       Her e  the  powe c on st raint  ε { | t R [ k ] | 2 } = P R = 1     { | [ ] | 2 } = 2 |  | 2 ( |  | 2 + |  | 2 + 2 ) + |  | 2 + 2       (31)     The the  insta ntane ous S NR  at  the no de D c an be e xpresse as ,     = 2 |  | 2 |  | 2 2 |  | 2 ( |  | 2 + 2 ) + |  | 2 + 2     = |  | 2 |  | 2 ( |  | 2 + 2 ) + |  | 2 + 2 2                 (32)     Si m il arly  the i ns ta nta neous S NR at the  no de  S  ca n be e xpre ssed  as ,       = 2 |  | 2 |  | 2 2 |  | 2 ( |  | 2 + 2 ) + |  | 2 + 2     = |  | 2 |  | 2 |  | 2 ( |  | 2 + 2 ) + |  | 2 + 2 2               (33)     The substi tute  equ at io ( 29)   in  (31)   a nd  ( 33) The  in sta nt aneous  S NR  of   the  AF   based   FD - T W at   the no de  S  and  D  ca n be e xpr essed  a s,     = |  | 2 |  | 2 |  | 2 ( |  | 2 + 2 ) + |  | 2 + 2 [ [ |  | 2 + |  | 2 + |  | 2 + 2 ] 1 2   ] 2       =    (  + 1 ) + (  + 1 ) (  +  +  + 1 )             (34)     Si m il arly  at no de D,     =    (  + 1 ) + (  + 1 ) (  +  +  + 1 )             (35)     Eq uation  ( 34)   and  ( 35)   in dicat that  F D - T WR  has  m or resid ual  sel f - in te rf ere nce  c om par e t F D - O W beca us e   al the  node s   in  F D - T WR  op e rate  in  f ull - du plex  m od e,   w hile  on ly   th relay   in  F D - O WR   op e rates in  this  m od e. T hu s , FD - T WR  deteri or at es t he  S NR  of the  r ecei ve e nd - to - en d si gn al .     The  a ver a ge  r a te  f or the  AF  ba sed FD - T W R   is def i ned as,     ̅ = { log 2 ( 1 + ) } + { log 2 ( 1 + ) }                                                                      (36)   Sub e qu at io n ( 36)  i ( 34)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Tit le  o f m anusc ript is s ho rt  and cl ear , impli es rese ar ch  res ults ( First  Au th or )   533   { log 2 ( 1 + ) } = 1  2 ( + ̅  + 1  + ( ̅  + 1 ) + ( ̅  + 1 ) ( + + ̅  + 1 ) 0 0 1 ̅  ̅  ̅     ) ̅  + 1 ( ̅  + 1 ) + ( ̅  + 1 ) ( + + ̅  + 1 ) 0 0 1 ̅  ̅  ̅                                               (37)                 Fr om  the a bove  equ at ion  1 , 1   and  2 , 2 is,   1 , 1 = + ̅  + 1  + ( ̅  + 1 ) + ( ̅  + 1 ) ( + + ̅  + 1 ) 0 0 1 ̅  ̅  ̅        1 , 2 = 1 ̅  ̅  ̅  ̅  + 1 ( ̅  + 1 ) + ( ̅  + 1 ) ( + + ̅  + 1 )  0 0     The n,   1 , 1   can  be  si m pl ifie in e qu at ion   (38) in t he  bott om  o the  p a ge.   1 , 1 = + ̅  + 1 ( + ̅  + 1 ) + 2 ( + ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 ) 2 0 0 1 ̅  ̅  ̅                                             ( 38)   In  order  t obta in  a   ti ghtl lo wer  bound  eas il y,  the  c onsta nt  te rm   ( ̅  + 1 ) 2   can   be   discar i th deno m inator.       1 , 1 = + ̅  + 1 + ̅  + 1 × 1 + 2 ( ̅  + 1 ) 0 1 ̅  ̅  ̅   0     1 , 1 = 2 ( ̅  + 1 ) ̅  1 ( 2 ( ̅  + 1 ) ̅  )                                                                           ( 39)                                                                                     The n,   1 , 2 = ̅  + 1 ( ̅  + 1 ) + ( ̅  + 1 ) ( + + ̅  + 1 ) 1 ̅  ̅  ̅   0 0     Her e , th e  r esi dual  self i nter fere nce is as su m ed  to  b e  ide ntica l, then   ̅  = ̅  = ̅  = ̅    1 , 2 = 1 ̅  ̅  ̅  ̅  + 1 ( ̅  + 1 ) + ( ̅  + 1 ) ( + + ̅  + 1 )  0 0      1 , 2 = 1 ̅  ̅  2 + ̅  + 1 ̅  1 ( 2 + ̅  + 1 ̅  )  0      1 , 2 = ̅  2 ̅  ̅  ( ( ̅  + 1 ) 2 ̅  1 ( ̅  + 1 2 ̅  ) ( ̅  + 1 ) ̅  1 ( ̅  + 1 ̅  ) )                                   ( 40)                                                            Sub e qu at io n ( 39)  a nd (4 0) in  (37). T he  av e r age  rate o F D - T W from  d est inati on  t s our ce        { log 2 ( 1 + ) } >                     1  2 ( 2 ( ̅  + 1 ) ̅  1 ( 2 ( ̅  + 1 ) ̅  ) ̅  2 ̅  ̅  ( ̅  + 1 2 ̅  1 ( ̅  + 1 2 ̅  ) ̅  + 1 ̅  1 ( ̅  + 1 ̅  ) ) )            ( 41)   The  a ver a ge  r a te  o f  F D - T WR  from  so ur ce  to desti natio n,   { log 2 ( 1 + ) } >     1  2 ( 2 ( ̅  + 1 ) ̅  1 ( 2 ( ̅  + 1 ) ̅  ) ̅  2 ̅  ̅  ( ̅  + 1 2 ̅  1 ( ̅  + 1 2 ̅  ) ̅  + 1 ̅  1 ( ̅  + 1 ̅  ) ) )                      ( 42)                                                                 The s ubsti tute eq uation ( 41) a nd (4 2)  i n (36 ). T he  a ver a ge r at e for  the  AF  base F D - T WR is,   ̅   1 ln 2 ( 2 ( ̅  + 1 )  1 ( 2 ( ̅  + 1 ) ̅  ) + 2 ( ̅  + 1 ̅  1 ( 2 ( ̅  + 1 ) ̅ ) ̅  2 ̅  ̅  ( ̅  + 1 2 ̅  1 ( ̅  + 1 2 ̅  )                           ̅  + 1 ̅  1 ( ̅  + 1 ̅  ) ) ̅  2 ̅  ̅  ( ̅  + 1 2 ̅  1 ( ̅  + 1 2 ̅  ) ̅  + 1 ̅  1 ( ̅  + 1 ̅  ) ) )                                         ( 43)                                The  a ver a ge  r a te  f or the  AF  ba sed FD - O WR  is,   ̅    = (  + 1 )  + 1  1 (  + 1  ) ( ln 2 ) (  (  + 1 )  )  1 /  1 ( 1  ) ( ln 2 ) (  (  + 1 )  )                                   (44)                                                        The  AF  bas ed   FD - T WR  ca nnot  ac hie ve  f ul tim m ul ti plexing  gain,  c om par ed  with   FD - O W R,   because  it  also   su f fer s  fro m  th e resid ual self - interfe ren ce  at  the tw o desti na ti on   nodes .                                                Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 Fe bruary  2 01 8   :   526     538   534   3.2.2 O uta ge prob ab il it y   Let   = 2 1 w her e     and    are  the  ou t age  S NR  a nd   r at thres ho l ds ,   res pecti vely Th us ,   the outage  pr obabili ty  o f  F D - T W R i def i ne as ,     = { min ( log 2 ( 1 + ) , log 2 ( 1 + ) ) < }         Fo r  the  AF  bas ed  F D - T W R , t he  inte gr al   do m ai for  it ou t age  pro bab il it y co ns ist  of   1 = { ( , ) | 0 < < , 0 < < ( ̅  + 1 ) }     3 = { ( , ) | ( ̅  + 1 ) ( 3 + ( 9 2 + 4 ) 1 2 ) 2 < , ( ̅  + 1 ) ( + ̅  + 1 ) 2 ( ̅  + 1 ) <     ( ̅  + 1 ) ( 2 + ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 ) }     The n,  t he ou ta ge pr obabili ty  o f  A F  b a sed  F D - T WR is  give in  (4 5) .     = 1 ̅  ̅  1 ̅  ̅       0 ( ̅  + 1 ) 0 +   1 ̅  ̅  ( ̅  + 1 ) 1 ̅  ̅      ( ̅  + 1 ) ( 2 + ( ̅  + 1 ) ) ( ̅  + 1 ) 0 +       1 ̅  ̅  ( ̅  + 1 ) ( 2 + ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 ) ( + ̅  + 1 ) 2 ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 ) ( 3 + ( 9 2 + 4 ) 1 2 ) 2 1 ̅  ̅          (45)   Fr om  the e qu at ion   ( 45)  2 , 1   an d     2 , 2    is re pr ese nted  a s,   2 , 1 = 1 ̅  ̅  ( ̅  + 1 ) 0 1 ̅  ̅   + 0                                                                   1 ̅  ̅  ( ̅  + 1 ) 1 ̅  ̅    ( ̅  + 1 ) ( 2 + ( ̅  + 1 ) ) ( ̅  + 1 ) 0                                  ( 46)            2 , 2 = 1 ̅  ̅  ( ̅  + 1 ) ( 2 + ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 ) ( + ̅  + 1 ) 2 ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 1 ) ( 3 + ( 9 2 + 4 ) 1 2 ) 2 1 ̅  ̅                      ( 47)     Eq uation ( 46) c an be  wr it te n as,   2 , 1 = 1 2 ( ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 2 ̅  ) ̅  ̅  ) 1 2 × ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 2 ̅  ) ̅  ̅  × 1 ( 2 ( ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 2 ̅  ) ̅  ̅  ) 1 2 )                                                                                        (48)   Eq uation  ( 47)   can  be writt en a s,   2 , 2 = 2 ( ( 2 + 1 ) ( ̅  + 1 ) 2 ̅  ̅  ) 1 2 ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 2 ̅  ) ̅  ̅  1 ( 2 ( ( 2 + 1 ) ( ̅  + 1 ) 2 ̅  ̅  ) 1 2 ) 1 ̅  ( ̅  + ( 2 + 1 ) ( ̅  + 1 ) 2 ̅  + ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 2 ̅  ) ̅  ̅  )  ( ̅  + 1 ) ( + ( 9 2 + 4 ) 1 2 ) 2   0 2 ( ( 2 + 1 ) ( ̅  + 1 ) 2 ̅  ̅  ) 1 2 ( ̅  + 1 ) ( 2 ̅  + ̅  ) ̅  ̅  1 ( 2 ( ( 2 + 1 ) ( ̅  + 1 ) 2 ̅  ̅  ) 1 2 ) + 1 ̅  ( ̅  + ( 2 + 1 ) ( ̅  + 1 ) 2 ̅  + ( ̅  + 1 ) ( 2 ̅  + ̅  ) ̅  ̅  ) ( ̅  + 1 ) ( + ( 9 2 + 4 ) 1 2 ) 2 0                (49 )     Fr om  the e qu at ion   ( 49)  2 , 2 , 1    an d   2 , 2 , 2    is re pr ese nted   as,     2 , 2 , 1 < ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 2 ̅  ) ̅  ̅  × ( 1 ( ̅  + 1 ) ( + ( 9 2 + 4 ) 1 2 ) 2 )                     ( 50)                                                      2 , 2 , 2 < ( ̅ + 1 ) ( 2 ̅  + ̅  ) ̅  ̅  × ( 1 ( ̅  + 1 ) ( + ( 9 2 + 4 ) 1 2 ) 2 )                         ( 51)   The o utage pr obabili ty  o f  the  AF   base F D - T W R ca n be ti gh tl y u pper  bo unde d by,     Sub  2 , 1   an 2 , 2   in e qu at io n ( 45)        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Tit le  o f m anusc ript is s ho rt  and cl ear , impli es rese ar ch  res ults ( First  Au th or )   535     1 2 ( ( 2 + 1 ) ( ̅  + 1 ) ̅  ̅  2 ) 1 2 × ( ̅  + 1 ) ( 2 ̅  + ̅  ) ̅  ̅  1 ( 2 ( ( 2 + 1 ) ( ̅  + 1 ) ̅  ̅  2 ) 1 2 ) + ( 1 ( ̅  + 1 ) ( + ( 9 2 + 4 ) 1 2 2 ̅  ) ( ̅  + 1 ) ( ̅  + 2 ̅  ) ̅  ̅  ( 1 (  + 1 ) ( + ( 9 2 + 4 ) 1 2 2 ̅  )                  ( 52 )   Wh e re  ( . )   is  the   m od ifie Be ss el   functi on  of  the  sec ond  ki nd.Th e   outa ge   prob a bili ty   of  A ba se FD - O WR is,     ,   = 1 2 ( ( + 1 ) ( ̅  + 1 ) ̅  ̅  ) 1 2 × ( ̅  + ̅  ( ̅  + 1 ) ) ) ̅  ̅    ×     1 ( 2 ( ( + 1 ) ( ̅  + 1 ) ̅  ̅  ) 1 2 )                  (53)                          The  ou ta g prob a bili ty   of   th AF   base F D - T WR  is  higher  t han  that  i F D - O W R T his  is  beca use   the  resi du al   se lf - inter fer e nce   generate at   the  destinat i on  nodes  i F D - T W deterio r at es  the  SN of   t he   receive sig na ls.  This  al so   rev eal   that  ti m m ulti plexi ng   ca help  t im pr ov t he   aver a ge  r at e,  but   si m ultaneou sly  it  also lead s to  a loss i t he o utage pe rfor m ance.       4.   SIMULATI O N RESULTS   In   this  sect io n,  the  perform ance  of   the  F D - T WR  schem is   pr ese nted  us in MATL AB  sim ula ti on s .   The  a ver a ge  r a te  an d O utage   pro bab il it of  FD - T W R  sch e m e are prese nted.   In   Fi gure  th ou ta ge  pro ba bili ty   of   the  DF   ba sed  F D - T W an F D - O W with  P NC  unde the   ou ta ge  rate  th r esh old = 1   b/s/Hz   is  sh ow n.   I t his  FD - T WR  a chieves  bette perform ance  than  t he  F D - O W R beca us e   the  DF   base FD - T W s uffe rs  from   m or s ever re sid ual  sel f - inter fere nc than  FD - O W R.   It  is  al so   sh ow that  PN can  i m pr ov the  ou ta ge  perf or m a nce  of  the  DF   base FD - T W R,  becau s it   e nab le s   the  relay   to  f orward  the  si gn a ls  with  m axi m um   po we with ou perform ing   power   al loca ti on,  w hich  im pr ove s   the  qu al it of   the  relay ing   li nk.  I this  the  loop  inter fer e nc can  be  var ie with  resp ect   to  dB,  dB,  and   10  dB.           Figure  2.  O uta ge  P r ob a bili ty   of the  DF  Ba se FD - T W R  and FD - O WR       Figure  com par es  the  ou ta ge   pro bab il it of   the  AF   base FD - T W a nd  FD - O WR.  It  is   evide nt  that  FD - T W R   achi eves  bette r   pe rfor m ance  tha t he  F D - O W with   P NC  unde the   ou t age  rate  th res ho l of   = 1 b/s/ Hz.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.