TELK O M N I K A   Te l e c ommu n i c at i on ,   C omp u ti n g ,   El e c t r on i c s   an d   C on tr o l   V ol .   18 ,   N o .   2,   A pri l   2020 ,   p p.   579 ~ 586   IS S N :   1693 - 6930 ,   a c c r e di t e d   F i rs t   G r a de   by   K e m e n ri s t e kdi k t i ,   D e c r e e   N o:   21 / E / K P T / 2 018   D O I:   10 . 129 28/ T E L K O M N IK A . v1 8i 2 . 1273 1     579       Jou r n al   h o m e pa ge :   ht t p: / / j our nal . uad . a c . i d/ i nd e x . php / T E L K O MNIKA   Ou t a g e   a n d   t h r o u g h p u t   p e r f o r m a n c e   o f   c o g n i t i v e   r a d i o   b a sed   p o w e r   d o ma i n   b a sed  mul t i p l e   a c c e s s       D i n h - Th u an   D o,   C h i - B ao  L e   F a c u l t o f   E l e c t r o ni c s   T e c hno l ogy ,   I ndus t r i a l   U ni ve r s i t y   o f   H C h i   M i n C i t ( I U H ) ,   V i e t na m       A r ti c l e   I n fo     A BS TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   Re c e i v e d   M a r   24 ,   2 019   Re vi s e J a 13 ,   202 0   A c c e pt e F e 8 ,   2020     T hi s   pa pe r   c ons i de r s   pow e r   do m a i ba s e d   m ul t i pl e   a c c e s s   ( P D M A )     i c ogn i t i v e   r a di n e t w o r t s e r ve   nu m e r ou s   u s e r s   w h i nt e nd  t m ul t i pl e   a c c e s s   t c o r e   ne t w or k.   I pa r t i c u l a r ,   w e   i nve s t i g a t e   t he   e f f e c t   of   s i g na l   c om bi na t i o s c h e m e   e qu i pp e d   a t   P D M A   e nd - u s e r s   a s   e x i s t e nc e   o f   di r e c t   l i nk   a nd  r e l a l i nk .   T h i s   s y s t e m   m od e l   us i ng  r e l a y   s c he m e   pr ovi de s   pe r f o r m a n c e   i m pr o ve m e n t   on  t he   ou t a g e   p r ob a b i l i t o f   t w P D M A   e nd - us e r s .   W e   f i r s t   pr op os e   a   s i m p l e   s c h e m e   of   f i x e d   pow e r   a l l oc a t i on   t o   P D M A   us e r s   w ho   e xhi bi t   pe r f o r m a n c e   ga a nd   f a i r n e s s .   I ns p i r e d   by   P D M A   s t r a t e g y ,   w e   t h e f i n d   s i gna l   t o   n oi s e   r a t i o   ( S N R )   t de t e c t   s e pa r a t e d   s i gn a l   f or   e a c h   u s e r .     I a d di t i on ,   t h e   e xa c t   e xpr e s s i o ns   o f   ou t a ge   p r ob a bi l i t y   a r e   d e r i ve d   i n   a s s u m pt i on   t ha t   r e c e i ve r   c a n   c a n c e l   out   t he   i nt e r f e r e n c e   c o m pl e t e l y   w i t h   s uc c e s s i v e   i nt e r f e r e nc e   c a nc e l l a t i on   ( S I C ) .   B y   e xp l o i t i n g   t h e o r e t i c a l   a nd  s i m u l a t i o r e s u l t s ,   b ot h   c ons i d e r e d   c o m b i na t i on   s c he m e s   ( M a x i m a l   R a t i o   C om b i n i ng   ( M R C )   a n S e l e c t i on   C o m b i ni ng   ( S C )   c a n   a c hi e ve   i m pr o ve d   pe r f or m a nc e   o f   t w o   P D M A   us e r s   s i gn i f i c a n t l y .   Ke y w or ds :   M RC   O ut a g e   p roba bi l i t y   P ow e do m a i n   ba s e m ul t i p l e   a c c e s s   SC   T hi s   i s   an   op e n   ac c e s s   ar t i c l e   u nde r   t he   C C   B Y - SA   l i c e n s e .     Cor r e s pon di n g   Au t h or :   D i nh - T hua n   D o ,     F a c ul t y   of   E l e c t ron i c s   T e c h nol o gy,     Indus t ri a l   U ni ve rs i t y   of   H C hi   M i nh   C i t y   (IU H ),     H Chi   M i nh  Ci t y,   V i e t n a m .   E m a i l :   dodi nht h ua n @ i u h. e du . vn       1.   I N TR O D U C TI O N   Re c e nt l y ,   c ogni t i v e   r a d i (C R)  h a s   b e e a t t r a c t e c ons i de ra b l e   a t t e nt i on  due   t o   i t s   a bi l i t y   t o   i m pro ve d   s p e c t ru m   ut i l i z a t i o n   [1].   A c hi e vi ng   a d va n t a g e   of   CR  t o   t h e   fi ft h   g e ne ra t i on   (5G )   m ob i l e   ne t w orks ,   t he   pri m a r ne t w ork   c on t a i ni ng  b a s e   s t a t i on  (BS a nd  BS - s e rve d   m ob i l e   us e rs   a n t he   s e c on da ry   ne t w ork   i nc l udi n t w o   ki n ds   of  us e rs   ( m obi l e   us e rs   n on - s e r ve d   by  t he   BS c a o c c up re s o urc e   i a   s a m e   l i c e ns e ba nd   [2 ].   U nf ort un a t e l y,   t he   pri m a ry   us e rs   a re   u nde r   i m pa c t   of  i nt e rf e re n c e   fro m   t h e   s e c ond a ry   us e rs   l o c a t e d   i s u c h   a   unde rl a y   a pp roa c h .   T h e re f ore ,   i t   i s   re q ui r e d   t o   l i m i t   t he   i nt e rf e re n c e   t o   b e l ow   a   c e r t a i n   l e v e l   t o   gua ra nt e e   s ys t e m   pe rfor m a n c e   [3].   In  ov e rl a CR,   t h e   c ha n ne l s   c a be   s e l e c t e d   dyn a m i c a l l w i t hou t   i nt e r - us e r   i nt e rf e re n c e   w h i l e   c h a nn e l   i s   d e c i de d   und e r   c e rt a i n   i nt e rfe r e n c e   c ons t r a i n t   i n   u nde r l a y   CR.     T he   o t he i s   a n   a t t ra c t i ve   s o l ut i on,   pow e r   d om a i n   b a s e d   m u l t i p l e   a c c e s s   (P D M A ),   a nd   i t   i s   prop os e d   for   5G   w i re l e s s   c o m m uni c a t i ons .   In  P D M A ,   m ul t i pl e   us e rs   a r e   pe rm i t t e d   t t ra ns m i t   s up e ri m pos e d   s i gn a l s   by   e m p l oyi ng  t he   s a m e   c a r ri e a nd  t he   s a m e   t i m e   s l ot .   I re a l   p ra c t i c e ,   s e c ur e   i s s ue   i s   c h a l l e nge   i a bov e   t e c hnol ogi e s   t o   e nh a n c e   s pe c t r a l   e ffi c i e nc r e l a t e d   t o   s pe c t rum   s ha r i ng   [4] .   A l t h ough   s e c ond a ry   us e r   (S U )   c a a c c e s s   t a   s p e c t rum   of  a   pr i m a ry   us e (P U ),     s uc h   S U   i c ogn i t i ve   ra d i n e t w o rks   (CRN s m a m e e t   w i re t a l e gi t i m a t e   s i gna l s   du e   t w i t hou t   a ppropr i a t e   s pe c t rum   m a na g e m e nt   po l i c i e s .   A c c ord i ng l y,   s e c ure   t ra ns m i s s i on   qua l i t of   pri m a ry  s ys t e m s   i c ogn i t i ve   ra d i n e t w orks   ( CRN s us i ng  s e v e r a l   m od e l s   h a v e   be e n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                  IS S N :   1693 - 6930   T E L K O M N IK A   T e l e c om m un   Co m put   E l   Con t rol ,   V ol .   18 ,   N o.   2 ,   A pri l   2 020:     579   -   5 86   580   i nve s t i g a t e [5 7].   F ort una t e l y,   re l a yi ng   ne t w ork   prov i d e s   e x t e nde d   c o ve r a ge   w i t r e a s o na b l e   out a g e   pe rfor m a nc e   [ 8 - 13] .   S uc h   r e l a y   s c h e m e   i s   propos e d   t o   c om b i n e   w i t h   P D M A   t e c hn ol ogy   t o   i n t rodu c e   c oop e ra t i v e   P D M A   [14 ,   15] .   It   i s   prop os e d   t o   g ua r a nt e e   t he   t r a ns m i t   qu a l i t y   of   m a s s i v e   us e rs   w i t h   p oor  c ha n ne l   [1 6]  a nd   a l l ow   m o re   us e rs   t o   a c c e s s   i nt o   on e   s p e c t ru m   r e s our c e   bl o c k   a t   t he   s a m e   t i m e .   W i t r e g a rd  t o   hi g he r   s pe c t ru m   e ff i c i e n c y ,   n e w   t r e nd  of  P D M A   a nd  CR  i s   i nt r oduc e d   a s     CR - i ns p i re d   P D M A   a s   i n   [17] .   T h e   a ut hors   s t udi e d   di ff e re nt   re c e i v i ng   qua l i t i e s   of   t w o   P D M A   s ys t e m s   i n   t w o   s c he m e s ,   s uc h   a s   fi x e pow e a l l oc a t i on  P D M A   a nd   CR - i ns p i re d   P D M A .   T g ua r a nt e e   t h e   c ha n ne l   qu a l i t of  a   us e w ho   m e e t s   a   po or  c ha n ne l   c ond i t i on,   t h e   CR - i ns p i re P D M A   i s   r e c o m m e nd e d   [17] .   T e v a l u a t e   s ys t e m   pe rfor m a n c e ,   t h e   C R - i ns p i re d   P D M A   i ndi c a t e d   be t t e r   fa i rn e s s   i n   t e rm   of   s pe c t r um   a l l o c a t i on   c om p a r e d   w i t h   t h e   fi x e d - p ow e r - a l l oc a t i on   P D M A .   In   ot h e r   w ork,   t he   pow e r   a l l o c a t i o n   s c h e m e   i s   d e ve l ope for  t w o   s e c onda ry   us e (S U s e xi s t i ng   i n   t h e   P D M A - e n a b l e und e rl a C (CR   P D M A ).   S u c CR  P D M A   i s   de pl o y   t o   e nh a nc e   t he   s p e c t ra l   e f fi c i e nc y   b y   us i ng   i n t e rf e re nc e   c a n c e l l a t i on   [1 8].   T hus ,   t o   gre a t l y   i m prov e     t he   s pe c t ru m   ut i l i z a t i o n,   P D M A   i s   prop os e d   t o   i n t e gra t e   i n t unde r l a y   CR   w i t pow e r   c ons t r a i n t s .   M ot i v a t e by  [19 - 25 t hi s   pa pe r   a na l yz e s   t he   ou t a g e   a nd   t hr oughpu t   pe rf orm a n c e   by   a p pl y i ng     t he   P D M A   pro t o c ol   i n   a   C n e t w o rk.   In   t h i s   s i t u a t i on,   w e   c ons i d e rs   s ys t e m   pe rfo rm a nc e   i n   a   dow n l i nk   c om m un i c a t i on  s c e n a ri o .   T he   ne t w ork  i s   c o m pos e of  a   p a i of  P D M A   us e rs ,   a   pri m a r ne t w ork  c on t a i ni ng   ba s e   s t a t i o n   (BS )   a n us e w h i l e   t he   s ourc e   i n   s e c onda ry  n e t w ork  n e e d   a   he l pi ng  r e l a y   t o   forw a rd  s i gna l   t fa r   us e r.   W e   a s s um e   t h a t   a l l   e nd - us e rs   o pe r a t e   i t he   P D M A   t r a ns m i s s i on  pr ot o c ol   a t   t he   s a m e   t i m e .   T he   m a i n   c ont r i bu t i ons   a r e   s u m m a r i z e a s   f ol l ow s .   -   W e   p ropos e   a   n e w   und e r l a y   CR   P D M A - e n a bl e t ra ns m i s s i on  a nd   prov i de   pe rfor m a n c e   g a of   t w o   P D M A   us e rs   t s a t i s fy   t he   qu a l i t y   of  s e rvi c e   (Q oS )   re qui r e m e n t s   of   s uc CR  P D M A   s ys t e m .   -   W e   for m u l a t e   e xa c t   ou t a g e   prob a bi l i t y   for   t w o   P D M A   us e r s   w hi l e   s a t i s fy i ng   a   g i ve fi x ed   pow e a l l oc a t i on   fa c t ors .   T he n ,   w e   c onf i r m   ou t a ge   pe r form a n c e   a n c orr e s pon di ng   t hro ughpu t   i num e ri c a l   re s ul t s .   -   W e   a na l yz e   t he   ov e ra l l   ne t w ork   pe rf orm a n c e ,   s t u dy  t he   pr obl e m   of  fi x e p ow e r   a l l o c a t i on   und e   t he   c ons t r a i n t   of   t he   s ys t e m   t ot a l   pow e r ,   a n d   i nd i c a t e   nu m e ri c a l   m e t ho d   t o   s ol ve   t he   o pt i m a l   pro bl e m   of   t hrough put   pe rfor m a n c e .   T he   re s t   o t he   p a pe r   i s   org a ni z e d   a s   fo l l ow s .   S e c t i on   II   pre s e nt s   a   P D M A - e na b l e C s ys t e m   w i t h     a   p a i of  P D M A   e nd - us e rs   a r e   s e rve d   by  bot h   s ourc e s   i pr i m a ry   ne t w ork   a n d   s e c ond a ry  n e t w o rk,   s e c onda ry  s ourc e   us i ng   on e   r e l a y   t o   s e rv e   f a P D M A   us e r .   I S e c t i on   I II,   w e   e xt e nd   our   s t udy   t o   a   s i t ua t i on   w i t f i x e pow e r   a l l o c a t i on   t o   de r i ve   out a ge   prob a bi l i t y   a n d   c or re s po ndi ng   t hroug hput   of   ov e ra l l   s ys t e m .   S i m u l a t i on   re s ul t s   a r e   s how i n   S e c t i o IV ,   a nd   c o nc l us i ons   a r e   pre s e nt e i n   S e c t i on   V .       2.   S Y S TEM   M O D EL  A N D   C A LC U LA TI O N S   O F   S N R   In  t hi s   a r t i c l e ,   w e   c ons i d e r   a   c om m un i c a t i on   w i t h   C P D M A   m od e l   a s   s how n   i F i gur e   1 .     T hi s   m ode l   c o ns i s t s   pr i m a ry   n e t w or k   c on t a i ni n g   a   b a s e   s t a t i on   (BS )   a nd   f a r   P D M A   us e r ,   a   s e c o nda r ne t w ork   c ont a i n i ng   s our c e ,   r e l a y   a nd   fa P D M A   us e r .   A l l   e n t i t i e s   i n   t he   ne t w ork   a r e   e qu i pp e w i t h   s i n gl e   a nt e nna   a nd  t he   c o m m uni c a t i o of   pri m a ry  a nd  s e c o nda r s ys t e m   op e ra t e s   i n   us i ng   t h e   P D M A   t ra ns m i s s i o pri nc i pl e s .   A s s um i ng  t ha t   bo t t he   re l a a nd  t w P D M A   us e rs   c a n   e s t i m a t e   t he   s e c ond a ry  a nd   pri m a ry  c ha n ne l s   by  s o m e   l e a rn i ng  proc e s s e s   i t he   a c t u a l   s i t u a t i on ,   t he y   c a b e   a w a r e   of   t h e   c ha nne l   s t a t e   i nfor m a t i on   ( CS I)   of   a l l   t he   c h a nn e l s   pe rfe c t l y.   I n   a dd i t i o n,   a l l   c ha n ne l s   a r e   a s s um e d   t o   be   q ua s i - s t a t i c   Ra yl e i g f a d i ng,   w h e re   t he   c ha nn e l   c oe f fi c i e nt s   a r e   c o ns t a nt   fo e a c h   t r a ns m i s s i on   bl oc k   bu t   va ry   i nde p e nd e nt l y   be t w e e di ff e re nt   bl o c ks .             F i gure   1 .   S ys t e m   m od e l   of  j oi nt   CR   a nd   PD MA   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N IK A   T e l e c om m un   Co m put   E l   Con t rol         O ut age   and   t hr oughpu t   pe r f or m anc e   o f   c ogn i t i v e   r ad i o   bas e pow e r   d om ai n   bas e   (D i n h - T huan   D o)   581   F or  t he   op e ra t i o of  he l pi n r e l a y   i n   s e c on da ry   s ys t e m s ,   re l a y   m a y   r e c e i v e   t h e   s ynt h e t i c   m e s s a g e   from   t h e   pri m a ry   s our c e   S 1   a nd  s i gna l   fr om   t he   s e c ond a ry  s o urc e   S 2 .   W e   de n ot e   n oi s e   t e r m s   2 2 2 2 2 2 , 1 , 2 1 , 1 2 , 2 R R U R U S U S U = = = = =   a nd   12 2 2 2 SS R PP P = = = .   S N R   a t   r e l a y   t o   de t e c t   x 2 :     2 2, ,2 2 1, . 1 SR Rx SR h h = +   (1)     W e   c o m pu t e   S N a t   r e l a t de t e c t   x 1     2 , 1 1 , . R x S R h  =   (2)     It   c a n   b e   fo und   S N a t   U t de t e c t   x 2     2 2 , 1 1 , 2 2 1 , 1 . 1 RU R U x RU ah ah = +   (3)     It   n e e d   b e   c o m put e d   S N a t   U t o   de t e c t   x 1   as     2 1 , 1 1 , 1 . R U x R U ah  =   (4)     It   c a n   b e   c a l c u l a t e d   S N a t   U 2   t o   d e t e c t   x 2   as     2 2 , 2 2 , 2 2 1 , 2 . 1 RU R U x RU ah ah = +   (5)     In  di re c t   l i nk  of  p ri m a ry   n e t w ork   i s u c CR  P D M A ,   S N R   a t   U t de t e c t   x 1   i s   gi v e n   by;     2 1 1 , 1 1 , 1 . S U x S U h  =   (6)     A l s o,   i n   di r e c t   l i n of   s e c ond a ry   ne t w ork   i n   s uc C P D M A ,   S N a t   U t de t e c t   x 2   i s   c o m pu t e d   by     2 2 2 , 2 2 , 2 . S U x S U h  =   (7)       3.   O U TA G E   P R O BA BI LI TY   A N D   T H R O U G H P U T   A N A L Y S I S   In  t hi s   s e c t i on,   w e   i nv e s t i ga t e d   t he   ou t a g e   b e ha v i or   for   t he   CR   P D M A   dow n l i nk   c oop e ra t i v e   ne t w ork   w i t pe r fe c t   CS I .   T t h i s   e n d,   e x a c t   e xp re s s i ons   f or  t he   o ut a ge   p roba bi l i t y   i s   s t ud i e fi rs t .   I ord e t be s t   t hrou ghpu t   a nd  b e t t e r   und e rs t a nd   t h e   b e ha vi or   o t h e   n e t w ork ,   a   n um e ri c a l   m e t hod   i s   a pp l i e t s how   t hrough put ,   w hi l e   fa i rn e s s   a m on P D M A   us e rs   s a t i s f i e d ,   re g i m e .   W e   us e   M a xi m a l   Ra t i o   Co m b i ni n (M RC)   t furt h e r   pro c e s s   s i gn a l   a t   U 1 ,   U 2   a s   e xi s t e n c e s   of   d i re c t   l i nk   a nd   re l a y   l i nk   b e t w e e n   t he   BS   a nd   P D M A     e nd - us e rs .     3. 1 .    S c h e me   I maxi mal   r a ti o   c o mb i n i n g   ( M R C )   A t   e a c d e s t i na t i on ,   t w o   l i nks   a r e   c o m bi n e d   a nd   h e nc e   S N R   i n   s uc M R c a s e   c a n   b e   e xpr e s s e d   a t   U 1,   U 2   r e s pe c t i ve l a s ;     22 1 1 , 1 1 , 1 , M R C U S U R U h a h =+   (8)       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                  IS S N :   1693 - 6930   T E L K O M N IK A   T e l e c om m un   Co m put   E l   Con t rol ,   V ol .   18 ,   N o.   2 ,   A pri l   2 020:     579   -   5 86   582   a nd   2 2 2 , 2 2 2 , 2 2 1 , 2 . 1 RU MRC U S U RU ah h ah  =+ +   (9)     w e   s e t   n e w   va r i a b l e   ( ) 2 2 2 1 aa  =   t he n ,   t h e   ou t a ge   prob a bi l i t a t   us e U 1   c a n   be   gi ve n   by ;     ( ) ( ) ( ) 23 1 1 1 1 , 1 1 , 1 1 1 1 , 1 1 Pr Pr Pr , . M R C U U R x R x S U x AA A P = +   (10)     propos i t i on   1:   t he   c l os e d - f orm   e xpre s s i on  of  o ut a ge   prob a b i l i t a t   us e r   U 1   c a b e   gi v e n   by     1 1 1 1 1 1 1 1 U 1 1 1 , m m m S R S R S U d d d U P e e e = +   (11)     w he re   11 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 U1 1 1 1 1 11 mm mm R U S U R U S U a m a dd d a d SU mm S U R U d e e e d d a   −− −−  −−    −−   =       P r oo f :   W e   ha ve   fol l ow i ng  e qu a t i on     ( ) 1 1 1 2 2 2 11 1 , 1 1 , 1 , 1 1 Pr Pr , . M R C U S U R U R U A h a h h a    =  =     (12)     T he n ,   i t   c a n   be   fur t h e e xpr e s s e d   a s     ( ) 1 1 22 1 , 1 , 1 11 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 0 1 11 1 1 1 1 1 1 . S U R U mm mm R U S U R U S U a hh a m a dd d a d SU mm S U R U A F a x f x d x d e e e d d a   −− −−   −− −−   −−  =−     =     (13)     T he n ,   t w o   re m a i ni ng  c o m pon e nt   c a n   be   ob t a i ne d   a s     ( ) 1 1 2 , 1 1 Pr , m SR Rx d A e  = =   (14)   a nd     ( ) 11 1 1 1 3 , 1 1 1 1 , 1 1 Pr , 1 1 . mm S R S U R x S U x dd A ee   −− −− = =   (15)     T hi s   i s   e nd   of   t h e   p roof .     S i m i l a r l y ,   ou t a ge   prob a bi l i t a t   us e U 2   c a n   be   c o m pu t e by   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N IK A   T e l e c om m un   Co m put   E l   Con t rol         O ut age   and   t hr oughpu t   pe r f or m anc e   o f   c ogn i t i v e   r ad i o   bas e pow e r   d om ai n   bas e   (D i n h - T huan   D o)   583   ( ) ( ) ( ) 23 1 2 2 2 , 2 2 , 2 2 2 2 , 2 2 P r P r P r , . M R C U U R x R x S U x BB B P = +   (16)     P r op os i ti on   2 :   T h e   c l os e d - f orm   e xpre s s i on  o o ut a ge   prob a b i l i t a t   us e U 2   c a n   be   gi ve n   by :     ( ) ( ) 22 2 2 2 2 2 22 0 2 2 2 1 21 1 1 1 , ! m m m R U S R S U n m d d d SR U n m m m n S R S R RU d e P e e e dd n d a   −− −− =   = +  +    (17)     w he re   ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 2 1 1 1 1 1 1 21 0 11 E i E i 1 ! 1 1 nn n k k n k e a e n n n n k ++ + = + = + + + + 2 1 2 m RU ad = 2 1 1 2 2 2 1 mm R U S U a d d  −− = 2 1 1 2 2 m SU a ad =   a n 2 2 2 2 2 2 11 2 2 1 2 mm m S U S R SR m dd d SR mm S R S R d ee dd  −−   −+   −−   =  +      P r oo f :   s e e   i a ppe ndi x     3. 2 .    S c h e me   I I s e l e c ti on   c omb i n i n g   (S C )   W e   c o ns i d e o ut a ge   pe rfor m a n c e   of   e a c h   d e s t i na t i on   by   us i n S e l e c t i on  Com b i ni ng  (S C)  a s ;     ( ) ( ) 1 1 1 , 1 1 , 1 1 1 , 1 1 2 2 2 1 1 1 1 , 1 1 , , 1 1 P r 1 P r , P r 1 P r , . U S U x R x R U x S U S R R U OP h h h a  =     =          (18)     T he n ,   i t   i s   re w r i t t e n   a s ;     ( ) ( ) ( ) 1 2 2 2 1 , 1 1 , , 1 11 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 1 1 1. S U S R R U m m m m m m S R R U S R R U S U SU U h h h a d d a d d a d d O P f x d x f x f y d x d y e e e      + + +   =−    = +   (19)     Cons i de s i gna l   a t   t h e   s e c o nd  de s t i na t i o n,   out a g e   p e rfor m a nc e   of   U 2   i s ;     ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 , 2 2 , 2 2 2 , 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 , 2 2 , 1 , , 2 2 2 1 P r 1 P r , P r 1 P r 1 , . U S U R x R U x S U S R S R R U OP h h h h aa  =     = +           (20)     N e xt ,   i t   c a be   re w r i t t e n   a s ;     ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 , 2 1 , 2 , , 2 22 2 2 1 22 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 22 2 00 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 1 1 S U S R S R R U m m m m m m S R R U S R R U S U SU U h h h h x aa m d d a a d d a a d d SR mm S R S R O P f x dx f x f x dx dy f z dz d e e e dd     + + + + −− −−   =−    = + .        (21)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                  IS S N :   1693 - 6930   T E L K O M N IK A   T e l e c om m un   Co m put   E l   Con t rol ,   V ol .   18 ,   N o.   2 ,   A pri l   2 020:     579   -   5 86   584   T he n ,   w e   furt he r   e x a m i n e   o pt i m a l   t hro ughpu t   i n   c a s e   of  f i x e da t a   r a t e s   a re   know n .   S u c h   s ys t e m   t hro ughpu t   c a n   be   g i ve n   by     ( ) ( ) 1 1 2 2 11 UU P R P R = +   (22)       4.   N U M ER I C A R ES U LTS   In  t hi s   s e c t i o n,   our   p a r a m e t e rs   a re   s how n   t o   s i m ul a t e ,   i . e .   po w e a l l oc a t i on   fa c t ors 12 0 . 2 , 0 . 8 aa == t a rg e t   ra t e s   1 2 R = 2 0 . 5 R = ,   di s t a n c e s   1 1m SR d = 2 1m SR d = 1 2m RU d = 2 4m RU d = 1 1 1 1 S U S R R U d d d =+   a nd   2 2 2 2 S U S R R U d d d =+ ,   pa t h - l os s   e xp one n t   2 m = F i gur e   s how s   i m p a c t   o t a r ge t   ra t e s   on  ou t a ge   pe rfor m a nc e .   In   a dd i t i on ,   h i gh e t ra ns m i t   S N R   a t   t he   s our c e   node   S 1,   S r e s ul t s   i b e t t e r   ou t a g e   pe rf orm a n c e .   T c om p a ri s o n,   o ut a ge   pe rf orm a nc e   of   U for  s c he m e   i s   b e t t e t ha n   t h a t   o s c h e m e   II .   W hi l e   pe rf orm a nc e   of  U 2   i s   s i m i l a f or  t w c ons i de r e s c he m e s .   F i gure   3   i l l us t ra t e s   t h a t   i n c re a s i ng   t a rg e t   r a t e s   m a k e   our   s ys t e m   m e e t   out a g e   e ve nt .   T h i s   f i gure   c onfi rm s   t ha t   hi gh e r   t ra ns m i t   S N R   a t   s o urc e   l e a ds   t o   be t t e r   p e rfor m a nc e .   I t   c a n   b e   s e e n   s l i g ht   p e rfor m a nc e   ga p   for   us e r   U 2   a s   c om pa r i ng   t w o   s c he m e s .   It   c a n   be   fo un h i ghe s t   t hrou ghpu t   a t   op t i m a l   t a rge t   ra t e   a s   i F i gure   4.   T h i s   re s ul t   c onf i rm s   t ha t   op t i m a l   t h roughp ut   c a n   b e   a c hi e ve by  num e ri c a l   m e t hod .   It   c a b e   s e e s l i ght   p e rfor m a n c e   g a p   a s   c o m pa r i ng   t w o   s c h e m e s .           F i gure   2 .   O u t a g e   pe rf orm a nc e   ve rs us   t r a ns m i t   S N i C P D M A       F i gure   3 .   O u t a g e   pe rf orm a nc e   ve rs us   t a rge t   ra t e s   of  CR  P D M A           F i gure   4 .   T hrou ghput   p e rfor m a nc e   of   CR   P D M A   v e rs us   t a r g e t   ra t e s         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N IK A   T e l e c om m un   Co m put   E l   Con t rol         O ut age   and   t hr oughpu t   pe r f or m anc e   o f   c ogn i t i v e   r ad i o   bas e pow e r   d om ai n   bas e   (D i n h - T huan   D o)   585   5.   C O N C LU S I O N   In  t h i s   p a p e r,   w e   s t u di e t he   f i xe d   pow e a l l o c a t i on   s c h e m e   de s i gn   for   robus t   a nd   gu a ra n t e e   fa i rne s s   i c o m m uni c a t i o of  CR  P D M A   s ys t e m s .   E a c h   s ourc e   i e a c n e t w ork   of  C   c a s e rve   i t s   ow s i g na l   forw a rd i ng  t r e l a a nd  t he t h e   s up e ri m pos e s i gna l   c a b e   re c e i v e a t   t he   P D M A   e nd   us e rs .   S u c m ode l   w a s   e m pl oye d   for   s e rv i ng   m u l t i pl e   a c c e s s   i dow nl i nk .     S i m ul a t i on  re s ul t s   r e ve a l e d   t h a t   t h e   c ons i d e re C P D M A   s ys t e m   e m pl oy i ng  t he   propos e f i xe d   pow e r   a l l o c a t i on  s c h e m e   c a n   gua r a n t e e   fa i rn e s s   i P D M A   s i gni f i c a nt l y.   W i t r e s pe c t   t s p e c i fi c   da t a   ra t e ,   i t   c a b e   a c h i e v e h i gh e s t   t h roughp ut .   F urt h e r m ore ,   o ur  re s ul t s   c onf i rm e t he   out a ge   s m a l l   p e rfo rm a nc e   g a a m ong   t w P D M A   us e rs   of  t he   propos e s c h e m e   w i t h   re s pe c t   t o   va ryi n t ra ns m i t   S N R   a n r e ve a l e d   t h e   i m pa c t   of  v a ri ous   s ys t e m   pa r a m e t e rs   on  pe rf orm a nc e .       R EF ER EN C ES   [ 1]   A .   G o l ds m i t h,   S .   A .   J a f a r ,   I .   M a r i c ,   a nd   S .   S r i n i v a s a ,   B r e a k i ng  s pe c t r u m   gr i d l oc k   w i t c ogn i t i v e   r a d i o s :     A i nf o r m a t i on  t h e or e t i c   pe r s pe c t i ve ,   i P r oc e e d i ng s   of   t he   I E E E ,   vol .   97,   n o.   5 ,   pp.   8 94 - 914 ,   M a 2009 .   [ 2]   L .   L v ,   J .   C he n,   a nd   Q .   N i ,   C oope r a t i ve   n on - or t hog ona l   m ul t i p l e   a c c e s s   i n   c ogn i t i v e   r a d i o,   i n   I E E E   C om m uni c at i on s   L e t t e r s ,   vo l .   20 ,   no .   10 ,   p p.   20 59 - 206 2,   O c t .   20 16 .   [ 3]   X .   K a ng ,   Y .   C .   L i a ng ,   A .   N a l l a n a t ha n ,   H .   K .   G a r g ,   a nd   R .   Z ha ng,   O pt i m a l   p ow e r   a l l o c a t i on   f or   f a d i ng   c ha nne l s   i n   c ogn i t i ve   r a d i n e t w o r k s :   E r g od i c   c a p a c i t y   a n ou t a ge   c a p a c i t y ,   i n   I E E E   T r ans a c t i on s   o W i r e l e s s   C om m uni c at i on s ,   v ol .   8,   no .   2 ,   p p.   9 40 - 950 ,   F e b .   2009 .   [ 4]   Y .   P e i ,   Y .   C .   L i a ng ,   K .   C .   T e h ,   a nd   K .   H .   L i ,   S e c u r e   c o m m un i c a t i on  i m ul t i - a n t e nna   c og ni t i ve   r a d i ne t w or ks   w i t h   i m pe r f e c t   c ha nn e l   s t a t e   i nf o r m a t i on,   i n   I E E E   T r ans ac t i ons   on   S i g nal   P r o c e s s i ng,   vo l .   59,   no .   4 ,     pp.   16 83 - 1693 ,   A pr i l   2 011 .   [ 5]   Z .   L i ,   T .   J i ng ,   X .   C h e ng ,   Y .   H uo ,   W .   Z ho u,   a nd   D .   C he n ,   C oop e r a t i ve   j a m m i ng   f o r   s e c u r e   c o m m un i c a t i on s   i n   M I M O   c oo pe r a t i v e   c ogn i t i v e   r a di o   n e t w o r k s ,   i n   201 I E E E   I nt e r nat i ona l   C on f e r e nc e   on   C om m un i c a t i ons   ( I C C ) ,   L ondon ,   pp .   7609 - 76 14 ,   2 015 .   [ 6]   P .   H .   L i n,   F .   G a br y,   R .   T hoba be n ,   E .   A .   J or s w i e c k ,   a nd   M .   S k ogl u nd,   M u l t i - pha s e   s m a r t   r e l a y i ng   a n c oop e r a t i ve   j a m m i n i n   s e c u r e   c ogn i t i ve   r a d i o   ne t w o r ks ,   i n   I E E E   T r a ns ac t i ons   o C o gn i t i v e   C om m u ni c at i o ns   and   N e t w o r k i ng ,   vol .   2 ,   n o.   1 ,   pp .   3 8 - 5 2,   M a r c h   201 6.   [ 7]   Y .   Y .   H e ,   J .   E v a ns ,   a nd  S .   D e y ,   S e c r e c r a t e   m a x i m i z a t i o f or   c oop e r a t i ve   ove r l a c og ni t i ve   r a d i ne t w or ks     w i t h   a r t i f i c i a l   no i s e ,   20 14  I E E E   I n t e r na t i ona l   C onf e r e nc e   on   C om m un i c a t i ons   ( I C C ) ,   S yd ne y ,   N S W ,     pp.   16 63 - 1668 ,   201 4.   [ 8]   D i nh - T hua D o,   " P ow e r   S w i t c hi n P r o t oc ol   f or   T w o - w a y   R e l a yi ng   N e t w o r k   und e r   H a r dw a r e   I m pa i r m e n t s , "   R a di o e ng i ne e r i n g ,   V ol .   24 ,   N o.   3 ,   pp .   7 65 - 771 ,   2015 .   [ 9]   D i nh - T hua n   D o,   H .   - S .   N gu ye n ,   M .   V oz na k   a nd   T .   - S .   N guy e n,   W i r e l e s s   pow e r e d   r e l a yi n g   ne t w or ks   u nde r   i m pe r f e c t   c ha nne l   s t a t e   i n f o r m a t i on :   s ys t e m   p e r f o r m a nc e   a nd  op t i m a l   p ol i c f o r   i ns t a nt a ne o us   r a t e ,   R adi o e ng i ne e r i ng ,   vo l .   26 ,   no .   3,   pp .   869 - 8 77,   S e pt e m be r   2017 .   [ 10]   X .   N guy e a nd   D i n h - T h ua n   D o,   O p t i m a l   pow e r   a l l oc a t i on  a nd  t h r oughp ut   pe r f o r m a n c e   o f   f u l l - dup l e D F   r e l a y i ng   ne t w o r k s   w i t w i r e l e s s   pow e r   t r a ns f e r - a w a r e   c ha n ne l ,   i E U R A SI P   J our nal   on  W i r e l e s s   C om m un i c a t i ons   a nd   N e t w o r k i ng ,   vol .   201 7,   no .   1 ,   p p.   15 2,   S e pt e m be r   2 017 .   [ 11]   D i nh - T hua D o ,   " E ne r gy - A w a r e   T w o - W a y   R e l a y i ng   N e t w or ks   u nde r   I m p e r f e c t   H a r dw a r e :   O p t i m a l   T hr ough pu t   D e s i gn  a nd   A na l y s i s " ,   T e l e c om m uni c a t i on  S ys t e m s   ( S pr i n ge r ) ,   V o l .   62,   N o .   2,   pp .   449 - 45 9,   20 15 .   [ 12]   T. - L .   N gu ye n   a nd   D i nh - T hu a n   D o ,   A   ne w   l ook   a t   A F   t w o - w a y   r e l a yi n g   ne t w o r ks :   e ne r gy       h a r ve s t i ng   a r c hi t e c t u r e   a nd  i m p a c t   o f   c o - c h a nne l   i n t e r f e r e nc e ,   i n   A nn al s   o f   T e l e c om m un i c at i ons ,   vo l .   72 ,   no .   1,   pp .   669 - 67 8,   J une   20 17 .   [ 13]   D i nh - T hua n   D a nd   C . - B .   L e ,   A pp l i c a t i on   of   N O M A   i n   W i r e l e s s   S y s t e m   w i t h   W i r e l e s s   P ow e r   T r a ns f e r   S c h e m e :   O ut a g e   a nd   E r god i c   C a p a c i t P e r f or m a nc e   A n a l ys i s ,   Se n s o r s ,   v ol .   18,   no .   10 ,   O c t o be r   2 018 .   [ 14]   T. - L .   N guye n,   D i nh - T hua D o ,   E xp l o i t i ng   I m p a c t s   of   I nt e r c e l l   I nt e r f e r e nc e   on   S W I P T - a s s i s t e d   N on - or t h ogon a l   M ul t i pl e   A c c e s s ,   W i r e l e s s   C om m un i c a t i ons   an M o bi l e   C om pu t i n g ,   vo l .   20 18,   n o.   17 ,   pp .   1 - 1 2,   N ov e m be r   2018 .   [ 15]   D i nh - T hua n   D o ,   M . - S .   V a n   N guy e n ,   T . - A .   H oa ng   a nd   M   V oz n a k,   N O M A - A s s i s t e d   M u l t i p l e   A c c e s s   S c he m e     f or   I oT   D e p l o ym e n t :   R e l a S e l e c t i on   M ode l   a n S e c r e c y   P e r f o r m a n c e   I m pr o ve m e n t ,   S e ns o r s ,   vo l .   19,   no.   3,     pp.   73 6,   20 19.   [ 16]   Z .   D i ng ,   P .   F a n ,   a nd   H .   V .   P o or ,   I m p a c t   o f   u s e r   pa i r i ng   on   5G   n on - or t ho gona l   m ul t i pl e - a c c e s s   dow n l i nk   t r a ns m i s s i on s ,   i n   I E E E   T r an s ac t i on s   o V e h i c u l ar   T e c hn ol ogy ,   vol .   65,   n o.   8 ,   pp.   6 010 - 602 3,   A ug .   201 6.   [ 17]   N .   Z a be t i a n,   M .   B a gh a ni ,   a nd   A .   M o ha m m a d i ,   R a t e   op t i m i z a t i on   i n   N O M A   c ogn i t i v e   r a d i ne t w or ks ,   2016   8 t h   I nt e r n at i on al   Sy m pos i um   on   T e l e c om m un i c a t i ons   ( I ST ) ,   T e hr a n ,   pp.   62 - 65 ,   2016 .   [ 18]   D i nh - T hua D o   a n M i n h - S a ng   V a N guy e n,   " D e v i c e - to - d e v i c e   t r a ns m i s s i on   m ode s   i N O M A   ne t w or k   w i t a nd   w i t h out   W i r e l e s s   P ow e r   T r a ns f e r , "   C om pu t e r   C om m u ni c at i on s ,   v ol .   139 ,   pp .   67 - 77 ,   M a y   2 019 .     [ 19]   D .   D o ,   M .   V a e z i   a n T . - L .   N guy e n ,   W i r e l e s s   P ow e r e d   C oop e r a t i ve   R e l a yi ng  us i ng   N O M A   w i t h   I m p e r f e c t   C S I ,   2018   I E E E   G l obe c om   W or k s ho ps   ( G C   W k s h ps ) ,   A bu   D ha bi ,   U ni t e d   A r a E m i r a t e s ,   pp.   1 - 6 ,   2018 .   [ 20]   D. - T .   D o   a nd   A . - T .   L e ,   N O M A   b a s e d   c o gn i t i ve   r e l a y i n g:   T r a ns c e i v e r   h a r dw a r e   i m p a i r m e n t s ,   r e l a y   s e l e c t i on   pol i c i e s   a nd  ou t a g e   p e r f o r m a nc e   c o m pa r i s on ,   C om p ut e r   C om m un i c at i on s ,   vo l .   146 ,   pp.   1 44 - 154 ,   O c t o be r   2 019 .   [ 21]   D. - T .   D o ,   A . - T .   L e ,   C . - B .   L e   a nd   B .   M .   L e e ,   O E x a c t   O u t a g e   a nd  T h r oug hpu t   P e r f or m a nc e   o f   C og ni t i ve   R a d i o   ba s e N o n - O r t h ogon a l   M ul t i pl e   A c c e s s   N e t w or ks   W i t a nd   W i t hou t   D 2D   L i nk ,   Se n s o r s ,   v ol .   19 ,   n o.   15 ,   pp .   3314 ,   J ul y   2 019 .   [ 22]   D. - T .   D o ,   A . - T .   L e   a nd   B . - M .   L e e ,   O n   P e r f o r m a n c e   A n a l ys i s   of   U n de r l a C og ni t i ve   R a di o - A w a r e   H ybr i d   O M A / N O M A   N e t w o r ks   w i t h   I m pe r f e c t   C S I ,   E l e c t r on i c s ,   vo l .   8 ,   n o.   7,   p p.   81 9,   J u l y   20 19 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                  IS S N :   1693 - 6930   T E L K O M N IK A   T e l e c om m un   Co m put   E l   Con t rol ,   V ol .   18 ,   N o.   2 ,   A pri l   2 020:     579   -   5 86   586   [ 23]   D i nh - T hua n   D o   a n T . - T .   T hi   N g uye n ,   " E xa c t   O u t a ge   P e r f or m a nc e   A n a l ys i s   o f   A m pl i f y - a nd   F o r w a r d - A w a r e   C oope r a t i v e   N O M A , "   T e l k om ni k a ,   v ol .   16 ,   n o.   5 ,   pp .   1 966 - 197 3,   2 018.   [ 24]   D. - T .   D o ,   M . - S .   V a N guy e n,   T . - A .   H oa n g,   B . - M .   L e e ,     E xpl oi t i n J o i n t   B a s e   S t a t i on  E q ui p pe M u l t i p l e   A nt e nn a   a nd   F u l l - D up l e x   D 2D   U s e r s   i n   P ow e r   D om a i D i v i s i on   B a s e d   M ul t i pl e   A c c e s s   N e t w or ks ,   Se n s o r s   ( B a s e l ) ,     vol .   19,   n o.   11 ,   pp .   2475 ,   M a y   201 9.     [ 25]   D - T .   D o   e t   a l .   W i r e l e s s   pow e r   t r a ns f e r   e n a bl e d   N O M A   r e l a s ys t e m s :   t w o   S I C   m od e s   a nd   p e r f o r m a nc e   e va l u a t i on,   T e l k om n i k a ,   vo l .   1 7,   no . 6 ,   pp .   2697 - 27 03,   D e c e m b e r   2 019.       A P P EN D I X   It   c a n   b e   c om put e e a c h   c o m po ne n t   i s u c h   out a g e   of   U 2   a s     22 1 2 2 2 2 1 2 22 2 , 2 2 1 2 , 2 , 2 2 1 , 2 1 1 2 0 Pr , 1 1 1 m m m R U R U S U RU S U R U RU ax x ax d d d m RU ah B h h ah e e e d x d     +    =  +  =   (A . 1)     n e w   v a ri a b l e   i s   s e t   a s   1 1 y a x =+   t he n   i t   c a b e   re w r i t t e n   a s     ( ) ( ) ( ) 2 2 11 2 2 1 2 2 2 1 2 2 1 2 1 1 11 1 0 2 2 11 21 1 1 ! m m m m S U R U S U S U ay yy n aa d a d d a y d a y n mn m n RU RU e e e e d y y e d y d n d a ++ = = =    (A . 2)     w he re   2 1 1 2 2 2 1 mm R U S U a d d  −− = 2 1 1 2 2 m SU a ad =   a n 2 1 2 m RU ad = .   N o t e   t ha t   i t   c a n   be   f urt h e r   c a l c u l a t e d   ne w   e qua t i on   by   us i ng  Bi no m i a l   t h e or e m .   W e   s e t   1 z y =   a nd   i t   c a b e   obt a i n e d   t h a t   ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 1 1 1 1 2 2 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 0 1 11 E i E i 1 ! 1 1 m SU az da n a nn n k k n k e d z z e a e n n n n k  + + ++ + = = + = + + + +   (A . 3)     w he re   (A . 3)  c a b e   obt a i n e d.   S ubs t i t u t i ng  (A . 2)   a n (A . 3)   i n t (A . 1),       i s   w ri t t e a s     ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 2 2 1 1 1 1 1 1 11 1 00 2 1 1 1 1 E i E i 1 ! 1 1 ! m RU n n n n k k n d n nk e a e B e e n n n n k n ++ + + ==  + = +  + + +      (A . 4)     N e xt ,   i t   c a be   obt a i ne d     ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 22 1 , 2 , 2 2 , 2 2 2 2 2 1 0 1 Pr m SR S R S R Rx m d SR mm hh S R S R x B d f x f y dx dy e dd   −− + = == +    (A . 5)   a nd   3 = ( | 2 , | 2 < 2 ( | 1 , | 2 + 1 ) , | 2 , 2 | 2 < 2 )       = 1 2 2 2 2 2 +   1 2 ( 2 2 2 ( 1 2 2 + 1 2 ) )   (A . 6)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.