T EL K O MN I K A   I n d o n e s i a n   J o u r n a l   o El e c tr i c a l   En g i n e e r i n g   Vo l . 1 2 ,   N o . 8 ,   Au g u s t   2 0 1 4 ,   p p .   6 2 4 3   ~   6 2 5 3   D O I :   1 0 . 1 1 5 9 1 / t e l ko m n i ka . v 1 2 i 8 . 5 8 7 2                 6 2 4 3       R e ce i ve d   F e b ru a ry  2 2 ,   2 0 1 4 ;   R e vi se d   Ma rch   2 7 ,   2 0 1 4 ;   Acce p t e d   Ap ri l   1 0 ,   2 0 1 4   O p t i m i z e d   P o w e r   A l l o c a t i o n   f o r   C o o p e ra t i v e   A m p l i f y - a n d - F o r w a rd   w i t h   C o n v o l u t i o n a l   C o d e s       N a s a r u d d i n * 1, 2 ,   Me l i n d a 2 ,   El i za r 2   1 E l e ct r i ca l   E n g i n e e r i n g   D e p a r t m e n t ,   S yi a h   K u a l a   U n i ve r si t y   2 M a st e r   o f   E l e ct r i c a l   E n g i n e e r i n g   P r o g r a m m e ,   S y i a h   K u a l a   U n i ve r s i t y   Jl n .   S ye ch   A b d u r r a u f   N o .   7 ,   D a r u ssa l a m ,   B a n d a   A ce h   2 3 1 1 1 ,   I n d o n e si a ,   + 6 2 - 6 5 1 - 7 5 5 4 3 3 6   * C o r r e sp o n d i n g   a u t h o r ,   e - m a i l :   n a sa r u d d i n @ u n sy i a h . a c . i d       A b s tr a c t       F u t u r e   w i r e l e ss  co m m u n i ca t i o n t e ch n o l o g sh o u l d   f u l f i l l   t h e   d e m a n d o f   m u l t i m e d i a   a p p l i ca t i o n s,   i n t e r a ct i ve   i n t e r n e t   se r vi ce ,   h i g h   d a t a   r a t e a n d   p o w e r   e f f i ci e n cy.   H o w e ve r ,   w i r e l e ss  ch a n n e l   i a f f e ct e d   b y   m u l t i p a t h   f a d i n g   t h a t   ca n   d e g r a d e   t h e   sys t e m   p e r f o r m a n ce .   T o   o ve r c o m e   t h e   p r o b l e m ,   co o p e r a t i ve   co m m u n i ca t i o n   h a b e e n   i n t r o d u ce d   t o   b e   a n   e f f i c i e n t   d i ve r si t t e ch n i q u e   t o   co m b a t   t h e   m u l t i p a t h   f a d i n g ,   t o   i m p r o ve   ca p a ci t a n d   t h e   sys t e m   p e r f o r m a n ce ,   a n d   t o   r e d u ce   t h e   e n e r g co m su m p t i o n   b u s i n g   p o w e r   a l l o ca t i o n   t e ch n i q u e   i n   t h e   n e t w o r k .   T h i p a p e r   p r o p o se s   a n   o p t i m i ze d   p o w e r   a l l o ca t i o n   ( O P A )   f o r   co o p e r a t i ve   a m p l i f y - a n d - f o r w a r d   ( A F )   p r o t o co l   w i t h   co n vo l u t i o n a l   co d e s   ( C C ) .   A   co m p u t e r   si m u l a t i o n   m o d e l   f o r   t h e   p r o p o se d   sy st e m   i d e ve l o p e d   u s i n g   M a t l a b   p r o g r a m m i n g .     T h e n ,   p e r f o r m a n ce   o f   t h e   sys t e m   i s   e va l u a t e d   i n   t e r m o f   t h e   sys t e m   t h r o u g h p u t ,   b i t   e r r o r   r a t e   a n d   a m p l i f i ca t i o n   co e f i ci e n t   f o r   p o w e r   a l l o ca t i o n .   F u r t h e r m o r e ,   t h e   d i f f e r e n t   r a t e s   o f   C C   a r e   a l so   c o n si d e r e d   i n   t h e   n e t w o r k.   S i m u l a t i o n   r e su l t sh o w   t h a t   m u l t i - r e l a A F   n e t w o r ca n   p r o vi d e   a   h i g h e r   t h r o u g h p u t   a n d   l o w e r   b i t   e r r o r   r a t e .   M o r e o ve r ,   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   O P A   sy st e m   i b e t t e r   t h a n   t h a t   o f   n o n - O P A   s yst e m .   T h e   u si n g   l o w e r   r a t e   o f   C C   i n   t h e   O P A   syst e m   p r o vi d e co d i n g   g a i n   f o r   m u l t i - r e l a co o p e r a t i ve   A F   n e t w o r k .   F i n a l l y,   t h e   d i f f e r e n t   a m p l i f i ca t i o n   co e f i ci e n t s   a m o n g   r e l a ys  g i ve   a   si g n i f i ca n t   i m p r o ve m e n t   t o   o p t i m i ze   t h e   s yst e m   p e r f o r m a n ce .       K e y w o r d s :   O p t i m i ze d ,   p o w e r   a l l o ca t i o n ,   A F   p r o t o co l ,   co o p e r a t i ve   co m m u n i ca t i o n ,   co n vo l u t i o n a l   co d e s           C o p y r i g h t   ©   2 0 1 4   I n s t i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e r i n g   a n d   S c i e n c e .   A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .         1 .   I n tr o d u c t i o n       W i re l e s s   co mm u n i ca t i o n   t e ch n o l o g h a s   b e e n   ra p i d l d e v e l o p e d   o v e t h e   p a s t   d e ca d e .   Se v e ra l   f a ct o rs   t h a t   d ri v e d   t h o s e   d e v e l o p m e n t s   a re   d e m a n d s   o f   w i re l e ss   m u l t i m e d i a   co mm u n i ca t i o n ,   i n t e ra c t i v e   i n t e rn e t   s e r v i ce ,   h i g h   s p e e d   d a t a   t ra n s m i s s i o n   a n d   f u t u re   co mm u n i ca t i o n   s ys t e m   w i t h   e f f i c i e n t   p o w e a l l o ca t i o n .   C o n s e q u e n t l y,   i t   i s   e s t i m a t e d   i n   t h e   f u t u re   d a t a   t ra f f i o v e t h e   m u l t i me d i a   a p p l i ca t i o n   w i l l   b e   s i g n i f i ca n t l i n cre a s e d .   I t   w i l l   b e   a   t o u g h   ch a l l e n g e s   f o m u l t i me d i a   a p p l i ca t i o n   i n   w i re l e s co mm u n i ca t i o n   ch a n n e l   t h a t   co n s u m e d   v e ry  l a rg e   b a n d w i d t h   [ 1 ] .   T ra n s m i t t e d   i n f o r ma t i o n   o v e w i r e l e s s   ch a n n e l   w i l l   e x p e r i e n ce   re f l e c t i o n ,   d i f f ra ct i o n   a n d   s ca t t e ri n g .   I n   a d d i t i o n ,   w i re l e s ch a n n e l   w i l l   b e   a l s o   a f f e ct e d   b m u l t i p a t h   f a d i n g   w h i ch   ca n   l e a d   t o   t h e   f l u ct u a t i o n   i n   a m p l i t u d e ,   f re q u e n cy  a n d   p h a s e   o f   o r i g i n a l   i n f o r m a t i o n   s i g n a l   a n d   ca n   d e g ra d e   o v e ra l l   s ys t e m   p e rf o r ma n c e .   T h i s   p ro b l e m   ca n   b e   o v e rco m e   b i n cre a s i n g   t h e   t ra n s m i s s i o n   p o w e r   a n d   b a n d w i d t h .   H o w e v e r,   t h i s   m e t h o d   w i l l   re q u i re   a   l o t   o f   p o w e a n d   g re a t e b a n d w i d t h   re s o u rce s .   T h e   d i v e rs i t y   t e ch n i q u e   ca l l e d   Mu l t i p l e - i n p u t   Mu l t i p l e - o u t p u t   (MI M O h a s   b e e n   i n t ro d u ce d   t o   d e a l   w i t h   t h e   p ro b l e m   o f   m u l t i p a t h   f a d i n g   i n   w i re l e s co mm u n i ca t i o n   [ 2 ,   3 ] .   MI M O   s ys t e m   p ro v i d e s   d i v e rs i t y   g a i n   t o   i m p ro v e   t h e   re l i a b i l i t o f   s i g n a l s .   MI M O   s ys t e m   h a s   a l s o   p ro v e d   t o   i n cre a s e   ch a n n e l   ca p a ci t y   t h a t   l e a d   t o   t h e   i n c re a s i n g   o f   o v e ra l l   t h ro u g h p u t   i n   w i re l e s s   co mm u n i ca t i o n   s ys t e m   w i t h   l i mi t e d   re s o u rce   a l l o ca t i o n .   H o w e v e r ,   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   MI MO   i n   m o b i l e   d e v i ce s ,   s u ch   a s   m o b i l e   p h o n e ,   l a p t o p ,   t a b l e t ,   e t c . ,   s t i l l   h a v e   s o m e   co n s t ra i n t s ,   i n cl u d i n g   t h e   l i mi t e d   s i ze   o f   h a rd w a re ,   h i g h   co m p l e x i t a n d   re l a t i v e l e x p e n s i v e   co s t   o f   co m p o n e n t .   T h e re f o re ,   s o m e   s t u d i e s   h a v e   re co n s i d e re d   u s i n g   t h e   co n ce p t   o f   co o p e ra t i v e   co mm u n i ca t i o n .   I n   t h i s   s ys t e m,   t h e   s o u rce   t ra n s m i t s   i n f o r ma t i o n   t o   a   d e s t i n a t i o n   v i a   o n e   o m u l t i - re l a s ys t e m   [ 4 6 ] .   T h e   u s e   o f   re l a i s   cre a t i n g   v i rt u a l   MI M O   ch a n n e l   f o w i re l e s co mm u n i ca t i o n .       C o o p e ra t i v e   co mmu n i ca t i o n   s ys t e m   i s   o n e   o f   t h e   e f f e ct i v e   t e ch n i q u e s   t o   o b t a i n   d i v e rs i t y   t h a t   ca n   re d u ce   t h e   e f f e ct   o f   m u l t i p a t h   f a d i n g   i n   a   w i r e l e s s   co mm u n i ca t i o n   s ys t e m .   T h e   s i g n a l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                              I SSN :   2 3 0 2 - 4 0 4 6                           T E L K O MN I K A   Vo l .   1 2 ,   N o .   8 ,   Au g u s t   2 0 1 4 :     6 2 4 3     6 2 5 3   6 2 4 4 f ro m   s o u rce   t ra n s mi t s   t o   re l a y   t h a t   ca n   b e   i n   t h e   f o r o f   f i x e d   s u ch   a s   mi cro   BT o r   m o b i l e   d e v i ce s   t o   b ro a d ca s t   o f o rw a rd   t h e   i n f o r m a t i o n   t o   d e s t i n a t i o n .   T h i s   s ys t e m   h a s   p ro v e d   t o   b e   o n e   o f   t h e   p o w e rf u l   p h ys i ca l   l a ye t e ch n i q u e s   t o   re d u ce   t h e   e f f e c t   o f   f a d i n g   a n d   t o   i n cre a s e   t h e   p h ys i ca l   l a ye ca p a ci t i n   w i re l e s s   re l a n e t w o rk.   T h e re   a re   s o m e   m a i n   t ra n s mi s s i o n   p ro t o co l s   t h a t   a re   w i d e l u s e d   i n   co o p e ra t i v e   co mmu n i ca t i o n   e . g . ,   A m p l i f y - a n d - F o rw a rd   (AF ),   D e co d e - a n d - F o rw a rd   (D F )   a n d   C o m p re ss - a n d - F o rw a rd   (C F )   [ 5 ,   7 ,   8 ] .   AF   p ro t o co l   i s   o n e   o f   t h e   s i m p l e s t   p ro t o co l s   i n   co o p e ra t i v e   n e t w o rk,   w h e re   t h e   re l a y   i s   o n l a m p l i f y i n g   a n d   f o rw a rd i n g   t h e   i n f o r m a t i o n   t o   d e s t i n a t i o n .   H o w e v e r,   i n   D F   p ro t o co l ,   t h e   f u n ct i o n   o f   re l a i s   m o re   co m p l e x   w h e re   i t   h a s   t o   d e co d e   i n f o r m a t i o n   f ro m   s o u rce   b e f o re   i t   f o rw a rd s   t h o s e   d e co d e d   i n f o r m a t i o n   t o   d e s t i n a t i o n .   I t   m a ke s   AF   i s   m o re   re a l i s t i a p p ro a ch   t o   b e   a p p l i e d   i n   a d - h o w i re l e s s   n e t w o rk.   F u rt h e r m o re ,   i n   co o p e ra t i v e   n e t w o rk ,   i t   n e e d s   t o   t a ke   i n t o   a cco u n t   t h e   e f f i c i e n t   u s e   o f   t ra n s m i s s i o n   p o w e b e ca u s e   m o s t   o f   m o b i l e   d e v i ce s   a re   l i mi t e d   p o w e s o u rce .   T h e   s i g n a l   p o w e r   w i l l   b e   d e g ra d e d   d u ri n g   t h e   p ro ce s s   o f   i n f o r m a t i o n   t ra n s m i s s i o n   f ro m   s o u rce   d u e   t o   t h e   e f f e c t   o f   m u l t i p a t h   f a d i n g .   T h e re f o re ,   i n   t h i s   s t u d y ,   w e   co n s i d e t h e   u s e   o f   AF   p ro t o co l   b e ca u s e   o f   i t s   s i m p l e   a n d   s u i t a b l e   i m p l e m e n t a t i o n   f o co o p e ra t i v e   n e t w o rk.   T h e re b y,   w e   p ro p o s e   t h e   n e w   a p p ro a ch   t o   o p t i mi ze   p o w e a l l o ca t i o n   i n   A F   p ro t o co l   b s i m p l u s i n g   co n v o l u t i o n a l   co d e   t h a t   ca n   b e   e a s i e t o   b e   i m p l e m e n t e d   t o g e t h e r   w i t h   a m p l i f i c a t i o n   p ro ce s s   i n   re l a y   s ys t e m .     S o m e   o f   i n t e re s t i n g   p o w e a l l o ca t i o n   s ch e m e s   i n   co o p e ra t i v e   n e t w o rk s   h a v e   b e e n   i n t ro d u ce d   i n   t h e   p re v i o u s   s t u d i e s .   T h e   m a i n   f ra m e w o rk  f o o p t i mi ze d   p o w e a l l o ca t i o n   s ch e m e   h a s   b e e n   ro u g h l d i s cu ss e d   i n   [ 9 ] ,   w h e re   o p t i mi z e d   p o w e a l l o ca t i o n   b e ca m e   t h e   m a i n   t e ch n i q u e   t o   re a l i ze   i n f o r m a t i o n   t ra n s m i s s i o n   o v e r   re l a n e t w o rk.   Mo re o v e r ,   o p t i mi za t i o n   i s s u e f o A F   p ro t o co l   o v e b l o ck - f a d i n g   ch a n n e l s   h a v e   b e e n   i n v e s t i g a t e d   i n   [ 1 0 ] .   I n   [ 1 1 ] ,   p o w e r   a l l o ca t i o n   h a s   b e e n   f u r t h e s t u d i e d   t o   m a xi mi ze   re l a y   f a d i n g   ch a n n e l   ca p a ci t a n d   t o   re d u ce   t h e   l i mi t   o f   e rg o d i ca l l ch a n n e l   ca p a ci t y.   Po w e a l l o ca t i o n   m e t h o d   u s i n g   p a rt i a l l i n f o r m a t i o n   f e e d b a ck  h a s   a l s o   i n t ro d u ce d   i n   [ 1 2 ] .   T h e   re s e a rch   i n   [ 1 3 ]   h a s   s t u d i e d   s o m e   o f   t h e   p o w e r   a l l o ca t i o n   s ch e m e s   f o r   t h e   u s e   o f   re l a y   n e t w o rk  i n   m u l t i - ce l l   e n v i ro n m e n t .   Po w e a l l o ca t i o n   f o r   AF   co o p e ra t i v e   n e t w o rk  h a s   b e e n   i n t ro d u ce d   i n   [ 1 5 ]   b y   co n s i d e ri n g   t o t a l   t ra n s m i t   p o w e f o b o t h   s o u rce   a n d   re l a y   n o d e s .   O p t i m a l   co m b i n a t i o n   b e t w e e n   re l a s e l e ct i o n   m e t h o d   a n d   p o w e r   a l l o ca t i o n   h a s   a l s o   b e e n   s t u d i e d   i n   [ 1 5 ,   1 6 ] .   T h i s   co m b i n a t i o n   m e t h o d   h a s   p ro v e d   t o   re d u ce   t h e   co m p u t a t i o n   t i m e   a n d   re a ch   s o l u t i o n   v a l u e   cl o s e   t o   o p t i m a l   p o w e r.   As   s t u d i e d   i n   [ 1 7 ] ,   b y   u s i n g   a v e ra g e   g a i n   m e t h o d ,   i t   i s   s h o w e d   t h a t   s ym b o l   e rro ra t e   ca n   b e   mi n i mi ze d   f o o p t i mi ze d   p o w e r   a l l o ca t i o n .     I n   t h i s   p a p e r ,   a s   p re v i o u s l d i s cu ss e d ,   w e   m a i n l i n v e s t i g a t e   o p t i mi ze d   p o w e a l l o ca t i o n   i n   AF   p ro t o co l   b u s i n g   o n e   o f   ch a n n e l   co d i n g   t e ch n i q u e s   w h i ch   i s   co n v o l u t i o n a l   co d e .   C o n v o l u t i o n a l   co d e   i s   o n e   o f   e rro r   co rre ct i o n   t e ch n i q u e s   t h a t   h a s   b e e n   w i d e l u s e d   i n   w i re l e ss  co mm u n i ca t i o n   s ys t e m   t o   i m p ro v e   b i t   e rro r a t e   (BE R ).   Mo re o v e r ,   p o w e a l l o ca t i o n   i s   o n e   o f   i m p o rt a n t   f a ct o r s   i n   w i re l e s s   t ra n s m i s s i o n   t h a t   w a s   i mp l e m e n t i n g   t o   re d u ce   t h e   e f f e ct   o f   f a d i n g   ch a n n e l   a n d   i n t e r f e re n ce .   T h u s ,   a n   a p p ro p ri a t e   p o w e a l l o ca t i o n   m e t h o d   i n   co o p e ra t i v e   co mm u n i ca t i o n   w i l l   b e   e f f i ci e n t   u s e   o f   p o w e re s o u rce s   a n d   i n cre a s e   s ys t e m   p e r f o r m a n ce .   T h i s   s t u d w i l l   co m b i n e   t h e   t e ch n i q u e   b e t w e e n   co n v o l u t i o n a l   co d e   w i t h   AF   p ro t o co l   t o   o p t i mi ze   p o w e a l l o ca t i o n   f o b e t t e p o w e u t i l i za t i o n   a n d   t o   o b t a i n   co d i n g   g a i n   i n   s ys t e m   p e r f o r m a n ce .   T h e n ,   co m p u t e s i m u l a t i o n   f o r   t h e   p ro p o s e d   s y s t e m   i s   d e v e l o p e d   u s i n g   Ma t l a b   p ro g ra mmi n g .   I n   t h e   co m p u t e s i m u l a t i o n ,   s e v e ra l   p a ra m e t e r s   t h a t   h a v e   i n f l u e n ce d   i n   o p t i mi ze d   p o w e a l l o ca t i o n   a re   a n a l y ze d .   T h e s e   p a ra m e t e r s   a re   t h ro u g h p u t ,   BER ,   n u m b e o f   re l a y s ,   co d e   ra t e   o f   co n v o l u t i o n a l   co d e   a n d   a m p l i f i ca t i o n   co e f f i ci e n t   o f   AF   p ro t o co l .   G e n e ra l l y ,   m o s t   o f   co o p e ra t i v e   p ro t o co l   s t ra t e g w i l l   b e   e v a l u a t e d   i n   t e r m s   o f   BER   a t   s p e ci f i ra n g e   o f   SN R .   T h e   s i m u l a t i o n   re s u l t s   o f   t h e   p ro p o s e d   s y s t e m   p e r f o r m a n ce   a re   co m p a re d   t o   t h e   s y s t e m   p e r f o r m a n ce   w i t h o u t   o p t i mi ze d   p o w e a l l o ca t i o n .   S i m u l a t i o n   re s u l t s   s h o w   t h a t   t h e   co n s i d e re d   p a ra m e t e rs   f o p o w e r   a l l o ca t i o n   a re   h a v i n g   s i g n i f i ca n t   i n f l u e n ce   t o   s ys t e m   p e rf o r m a n ce .   Mo re o v e r,   t h e   s ys t e m   w i t h   o p t i mi ze d   p o w e r   a l l o ca t i o n   h a s   s h o w n   b e t t e p e rf o r m a n ce   co m p a re   t o   t h e   s y s t e m   w i t h o u t   o p t i mi ze d   p o w e r   a l l o ca t i o n .   T h e   u s e   o f   l o w e ra t e   o f   co n v o l u t i o n a l   co d e s   ca n   a l s o   p ro v i d e   co d i n g   g a i n   t o   o p t i mi ze   t h e   co o p e ra t i v e   s ys t e m   p e r f o r ma n ce .           2 .   Sy s te m   M o d e l       AF   p ro t o co l   i s   t h e   s i m p l e s t   p ro t o co l   i n   co o p e ra t i v e   co mm u n i ca t i o n   s ys t e m ,   w h e re   e a ch   re l a o n l p e r f o r m s   a m p l i f y i n g   a n d   f o rw a rd i n g   s i g n a l   t o   d e s t i n a t i o n   [ 1 4 ] .   I n   A F   p ro t o co l ,   t h e   re l a y   i s   n o t   p e rf o m i n g   a n co d i n g   p ro ce ss   f o r   t h e   re ce i v e d   s i g n a l   f ro m   s o u rce .   I n   t h i s   s t u d y,   w e   a r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T EL K O MN I K A     I SSN :   2 3 0 2 - 4 0 4 6     O p t i m i ze d   P o w e r   A l l o ca t i o n   f o r   C o o p e r a t i ve   A m p l i f y - a n d - F o r w a r d   w i t h     ( N a sa r u d d i n )   6 2 4 5 u s i n g   m u l t i - re l a s ys t e m   w i t h     re l a y s .   C o n v o l u t i o n a l   co d e   w i l l   b e   a p p l i e d   i n   s o u rce   a n d   AF   p ro t o co l   i n   re l a w i l l   b e   f u n ct i o n e d   a s   p o w e co n t ro l   d u ri n g   i n f o r m a t i o n   t ra n s m i s s i o n   f ro m   s o u rce   t o   d e s t i n a t i o n   t h ro u g h   a s s i s t e d   o n e   o m u l t i - re l a n o d e s .   T h i s   s ys t e m   mo d e l   w i l l   b e   a   s o l u t i o n   t o   i n cre a s e   s y s t e m   p e r f o r m a n ce   b re d u c i n g   B ER   a n d   a m p l i f y i n g   a t t e n u a t e d   p o w e o v e t h e   p ro ce ss   o f   i n f o r m a t i o n   t ra n s mi s s i o n   t o   d e s t i n a t i o n .         F i g u re   1 .   C o o p e ra t i v e   m u l t i - re l a A F   n e t w o rk  m o d e l     F i g u re   1   s h o w t h e   s y s t e m   m o d e l   f o AF   p ro t o co l   i n   h a l f - d u p l e x   co o p e ra t i v e   co mm u n i ca t i o n   w i t h   m u l t i - re l a y,   w h e re   e a ch   n o d e   ca n n o t   s i m u l t a n e o u s l s e n d i n g   a n d   re ce i v i n g   i n f o r m a t i o n   a t   t h e   s a m e   t i m e .   AF   co o p e ra t i v e   t ra n s mi s si o n   s ys t e m   ca n   b e   d i v i d e d   i n t o   2   p h a s e s .   I n   f i rs t   p h a s e ,   s o u rce   (S)   s e n d   i n f o r m a t i o n   d i re ct   t o   d e s t i n a t i o n   a n d   t o   k   re l a y s   (S,   R i ) ,   w h e re   = 1 , 2 , , .   T h e re   w i l l   b e   a d d e d   n o i s e   f o a n re ce i v e d   s i g n a l   i n     re l a y s   a n d   i t   f o l l o w s   t h e   e q u a t i o n   a s   b e l o w :   = +                 (1 )   = +                 (2 )   w h e re ,     i s   t h e   re ce i v e d   i n f o r m a t i o n   s i g n a l   a t   re l a y   ,     i s   co e f f i ci e n t   o f   ch a n n e l   b e t w e e n   s o u rce   a n d   re l a ,     i s   t ra n s mi t t e d   i n f o r m a t i o n   s i g n a l   f ro s o u rce ,     i s   n o i s e   t h a t   w a g e n e ra t e d   b e t w e e n   so u rce   a n d   re l a ,     i s   re ce i v e d   i n f o rm a t i o n   s i g n a l   a t   d e s t i n a t i o n ,     i s   co e f f i ci e n t   o f   ch a n n e l   f o r   d i re ct   p a t h   b e t w e e n   s o u rce   a n d   d e s t i n a t i o n   a n d     i s   n o i s e   t h a t   w a g e n e ra t e d   o v e r   d i re ct   p a t h .     I n   s e co n d   p h a s e ,     re l a y s   (R i ,   D )   a m p l i f t h e   re ce i v e d   s i g n a l   a n d   f o rw a r d   t h o s e   a m p l i f i e d   s i g n a l   t o   d e s t i n a t i o n   (D ).   A F   co o p e ra t i v e   i n   t h i s   p h a s e   i s   a   f u n ct i o n   a s   a   p ro t o co l   t o   p e rf o r m   a m p l i f i ca t i o n   p ro ce s s   f o i n f o r ma t i o n   s i g n a l   w h i ch   w a s   a t t e n u a t e d   d u ri n g   t ra n s m i s s i o n   p ro ce ss   o v e r   s o u rce   a n d     re l a y s .   T h e   r e ce i v e d   s i g n a l   i n   t h e   d e s t i n a t i o n   ca n   b e   e x p re s s e d   i n   e q u a t i o n   a s   f o l l o w :   = +               (3 )   w h e re ,     i s     a m p l i f i ca t i o n   co e f f i ci e n t   o f   re l a y   ,     i s   co e f f i c i e n t   o f   ch a n n e l   b e t w e e n   re l a   a n d   d e s t i n a t i o n   a n d     i s   n o i s e   t h a t   w a s   g e n e ra t e d   b e t w e e n   re l a y     a n d   d e s t i n a t i o n .   A m p l i f i ca t i o n   co e f f i ci e n t   i n   A F   p ro t o c o l   ca n   b e   ca l cu l a t e d   b y   u s i n g   t h e   e q u a t i o n   a s   f o l l o w :     = ( | | )                     (4 )   w h e re ,     i s   t ra n s mi t t e d   p o w e o f   re l a y   ,     i s   t ra n s m i t t e d   p o w e o f   s o u rce   a n d     i s   n o i s e   v a r i a n ce   o f   ch a n n e l .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                              I SSN :   2 3 0 2 - 4 0 4 6                           T E L K O MN I K A   Vo l .   1 2 ,   N o .   8 ,   Au g u s t   2 0 1 4 :     6 2 4 3     6 2 5 3   6 2 4 4   C h a n n e l   c o e f i c i e n t   ca n   b e   m o d e l l e d   a s   i n d e p e n d e n t   z e ro   m e a n   o f   ci rcu l a r l s y mm e t ri co m p l e x   G a u s s i a n   ra n d o m   v a ri a b l e s   w i t h   ,     a n d   .   C h a n n e l   m o d e l   i s   f o l l o w i n g   R a yl e i g h   d i s t ri b u t i o n   o r   a s   f a m o u s l y   kn o w n   a s   R a yl e i g h   f l a t - f a d i n g   m o d e l   [ 1 4 ] .   F u rt h e r m o re ,   re ce i v e d   s i g n a l   f o e a ch   p h a s e   ca n   b e   co m b i n e d   b u s i n g   Ma x i m u R a t i o   C o m b i n e (MR C ),   w h e re   o u t p u t   s i g n a l   o f   MR C   w i l l   f o l l o w   t h e   e q u a t i o n   a s   b e l o w   [ 1 4 ,   1 7 ] :   = +               (5 )   w h e re     a n d     a re   MR C   co e f f i c i e n t   f o d i re c t   p a t h   t ra n s m i s s i o n   a n d   co o p e ra t i v e   t ra n s m i s s i o n   a n d   ca n   b e   ca l cu l a t e d   b f o l l o w i n g   t h e   e q u a t i o n :     =                           (6 )   a n d   =   [ ( | | ) ]                 (7 )       3 .   O p t i m i ze d   P o w e r   A l l o c a ti o n   a n d   S i m u l a ti o n   Mo d e l     3 . 1   O p ti m i ze d   Po w e r   A l l o c a t i o n   I n   t h i s   re s e a rch ,   t h e   o p t i mi za t i o n   o f   t h e   p o w e a l l o ca t i o n   i s   co n d u ct e d   w h e n   s o u rce   t ra n s m i t s   s i g n a l   t o   re l a y ,   w h e re   t h e   s i g n a l   p o w e f o e a ch   re l a y   i s   a l l o ca t e d   w i t h   d i f f e re n t   a m o u n t   o f   p o w e r.   O n   co n t ra ry,   t h e   co o p e ra t i v e   s ys t e m   t h a t   d o e n o t   h a v e   o p t i mi ze d   p o w e a l l o ca t i o n   w i l l   h a v e   t h e   s a m e   p o w e f o e a ch   re l a y.   At   re l a n o d e s ,   AF   p ro t o co l   w i l l   a m p l i f y   t h e   p o w e r   s i g n a l   a n d   t h e n   f o rw a rd   t o   d e s t i n a t i o n .   T h e   p ro ce s s   o f   a m p l i f y i n g   t h e   s i g n a l   p o w e o o p t i mi ze d   p o w e a l l o ca t i o n   ( O PA)   s t ra t e g y   ca n   b e   i l l u s t ra t e d   a s   i n   F i g u re   2 .   Ma t h e m a t i ca l   a n a l ys i s   f o r   t h e   O PA  s t ra t e g y   i s   a d o p t e d   a n d   a l s o   m o d i f i e d   f ro [ 9 - 1 1 ,   1 4 ,   1 7 ] .           F i g u re   2 .   O p t i mi ze d   A F   p ro t o co l   s t ra t e g y       I n   co o p e ra t i v e   m u l t i - re l a s ys t e m   a s   h i g h l i g t e d   i n   F i g u re   2 ,   t h e   t o t a l   t ra n s m i t   p o w e ( i s   t h e   s u m   o f   t ra n s mi s s i o n   p o w e s o u rce   ( )     a n d   t h e   p o w e o f     r e l a y s   ( ).   T h e n   t h e   t o t a l   p o w e ca n   b e   ca l cu l a t e d   b t h e   f o l l o w i n g   e q u a t i o n :     = +                 ( 8 )   w h e re       a n d     a re   t h e   t ra n s m i s s i o n   p o w e o f   t h e   s o u rce   a n d   t h e   t h   re l a y ,   re s p e ct i v e l y .     I n   e a ch   s e ct i o n   o f   t ra n s m i s s i o n   AF   co o p e ra t i v e   h a s   e a ch   SN R   v a l u e   a s   f o l l o w s :   a )   SN R   f o t h e   d i re c t   p a r t   ca n   b e   w ri t t e n   a s   f o l l o w :   = | |                   ( 9 )   b )   SN R   f o t ra n s mi s s i o n   p a rt   o f   t h e   s o u rce   t o   re l a y   i s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T EL K O MN I K A     I SSN :   2 3 0 2 - 4 0 4 6     O p t i m i ze d   P o w e r   A l l o ca t i o n   f o r   C o o p e r a t i ve   A m p l i f y - a n d - F o r w a r d   w i t h     ( N a sa r u d d i n )   6 2 4 5   = | |                   (1 0 )   c)   SN R   v a l u e   w h e n   t h e   re l a y   t ra n s mi t s   i n f o r m a t i o n   t o   t h e   d e s t i n a t i o n   i s   = | |                   (1 1 )   T h e n ,   t h e   SN R   v a l u e   a f t e p ro ce s s   o f   MR C   a t   t h e   AF   co o p e ra t i v e   s ys t e m s   w i t h   m u l t i - re l a ca n   b e   ca l cu l a t e d   b t h e   f o l l o w i n g   e q u a t i o n .   = +               (1 2 )   T h i s   re s e a rch   u s e s   b i n a ry  p h a se   s h i f t   ke yi n g   ( BP SK )   m o d u l a t i o n ,   s o   BER   ca n   b e   d e ri v e d   a f o l l o w s :     +             (1 3 )   w h e re ,   ̅ ,   ̅   a n d   ̅   a re   t h e   a v e ra g e   o f   SN R   f ro d i re ct   t ra n s m i s s i o n ,   t ra n s m i s s i o n   s o u rce   t o   t h e   re l a a n d   f ro m   t h e   re l a y   t o   t h e   d e s t i n a t i o n ,   re s p e ct i v e l y .   By   i n s e rt i n g   t h e   a v e ra g e   v a l u e   o f   SN R   f o e a ch   o f   t h e   e q u a t i o n s   o f   (9 ) - (1 1 i n t o   t h e   e q u a t i o n   o f   (1 3 a n d   t h e n   p e rf o r m e d   a   m a t h e m a t i ca l   m a n i p u l a t i o n ,   s o   t h e   re l a t i o n s h i p     a n d     a re   o b t a i n e d   a s   f o l l o w s :   =                (1 4 )   a n d   =                  (1 5 )   w h e re ,     a n d     a re   a v e ra g e   ch a n n e l   co e f f i c i e n t   f ro m   t h e   re l a p a t h   i n   A F   co o p e ra t i v e   s ys t e m s .     T h e   p ro p o s e d   AF   co o p e ra t i v e   co mmu n i ca t i o n   s ys t e p e rf o r m a n ce   i n   t h i s   re s e a rch   w i l l   b e   e v a l u a t e d   b co n s i d e ri n g   t h e   f a ct o rs   t h a t   h a v e   i n f l u e n ce d   i n   t h e   u s e   o f   n e t w o rk  re s o u rce s .   T h e   f i rs t   f a c t o i s   t h ro u g h p u t ,   w h i ch   i s   d e f i n e d   a s   t h e   n u m b e o f   d a t a   i n f o r m a t i o n   t h a t   ca n   b e   t ra n s m i t t e d   f ro t h e   s o u rce   t o   re ce i v e a t   a   ce rt a i n   t i m e   u n i t .   T h ro u g h p u t   f o r     re l a y s   ca n   b e   ca l cu l a t e d   b t h e   f o l l o w i n g   e q u a t i o n   [ 1 8 ] :   = l o g [ 1 + l n ( ) ]               ( 1 6 )   w h e re ,   N   i s   p a ra l e l l   f a d i n g   ch a n n e l .   T h e   s e co n d   f a ct o i s   b i t   e rro r a t e   (BER )   l e v e l   o f   t h e   n e t w o rk.   T h a t   i s   o n e   o f   t h e   b i t   e rro m e a s u re m e n t s   d u ri n g   t ra n s mi s s i o n ,   w h i ch   i s   a   co m p a r i s o n   b e t w e e n   t h e   n u m b e o f   re ce i v e d   b i t   e rro r s   a n d   n u m b e r   o f   t ra n s mi t t e d   b i t s   f ro m   t h e   s o u rce .   i t   a l s o   re p re s e n t s   t h e   q u a l i t o f   s i g n a l   t o   b e   re ce i v e d   b d e s t i n a t i o n .   I n   t h i s   re se a rch ,   BER   i u s u a l l m e a s u re d   a g a i n s t   t h e   v a l u e   o f   s i g n a l   t o   n o i s e   r a t i o   (SN R ) .   F o s i g n a l s   w i t h   BPSK   m o d u l a t i o n   i n   R a yl e i g h   f a d i n g   ch a n n e l s ,   BER   f o t h e   d i re ct   l i n ca n   b e   ca l cu l a t e d   a s   f o l l o w [ 1 9 ] :         = 1                   ( 1 7 )   w h e re       i s   s i g n a l   t o   n o i s e   ra t i o .   T h e   l a s t   f a ct o r   t o   b e   e v a l u a t e d   i s   t h e   e f f e ct   o f   a m p l i f i ca t i o n   co e f i c i e n t   o f   t h e   p ro p o s e d   s y s t e m ,   w h e re   a m p l i ca t i o n   ( i s   o n e   o f   t h e   p a ra m e t e rs   f o a m p l i f y i n g   t h e   s i g n a l   o n   AF   re l a t h a t   i s   t o   b e   f o rw a rd e d   t o   d e s t i n a t i o n .   T h e s e   w i l l   b e   a n   e ss e n t i a l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                              I SSN :   2 3 0 2 - 4 0 4 6                           T E L K O MN I K A   Vo l .   1 2 ,   N o .   8 ,   Au g u s t   2 0 1 4 :     6 2 4 3     6 2 5 3   6 2 4 4 p a ra m e t e r   t o   o p t i mi ze   p o w e a l l o ca t i o n   i n   co o p e ra t i v e   AF .   A mp l i f i ca t i o n   f a c t o ca n   b e   d i v i d e d   i n t o   2   ca t e g o ri e s :   ch a n n e l   i n v e rs i o n   [ 2 0 ]   a n d   co n s t a n t   a m p l i f i ca t i o n   [ 2 1 ] .   I n   t h e   i n v e rs i o n   ch a n n e l ,   re l a r e q u i re s   i n s t a n t a n e o u s   ch a n n e l   e s t i m a t i o n   p a ra m e t e rs   f o l i n f ro m   s o u rce   t o   re l a y.   So ,   re l a p o w e w i l l   b e   l i mi t e d   i f   t h e   s i g n a l   a m p l i t u d e   i s   l o w .   I n   o r d e t o   a v o i d   s i g n a l   a m p l i t u d e   re m a i n s   h i g h ,   t h e   e s t i m a t e d   a m p l i t u d e   o f   t h e   s i g n a l   a t   t h e s e   l i n ks   s h o u l d   b e   ca rri e d   o u t   co n t i n u o u s l y.   T h u s ,   i t   h a s   a   h i g h   co m p l e xi t y .   T h e re f o re ,   t h i s   p a p e co n s i d e rs   t h e   a m p l i ca t i o n   f a c t o a s   co n s t a n t   a m p l i f i ca t i o n .     3 . 2   Si m u l a ti o n   M o d e l     Si m u l a t i o n   m o d e l   o f   A F   co o p e ra t i v e   s ys t e m   o f   m u l t i - r e l a ( t h re e   re l a y s   i n   t h i s   p a p e r )   w i t h   o p t i mi z e d   p o w e a l l o ca t i o n   (O PA)  a n d   u s i n g   co n v o l u t i o n a l   co d e s   ca n   b e   s e e n   i n   F i g u re   3 .   I t   co n s i s t s   o f   s e v e ra l   p a rt s ,   n a m e l y   s o u rce ,   ch a n n e l ,   re l a a m p l i f i ca t i o n   a n d   d e s t i n a t i o n .   At   s o u rce   p a rt ,   t h e   t ra n s m i t t e d   i n f o r m a t i o n   i s   i n   t h e   f o r m   d a t a   t h a t   w i l l   b e   e n co d e d   u s i n g   co n v o l u t i o n a l   e n co d e a n d   t h e n   m o d u l a t e d   u s i n g   BP SK  m o d u l a t i o n .   H e re ,   t h e   u s e   o f   co n v o l u t i o n a l   co d e   i s   t o   re d u ce   t h e   b i t   e rro ra t e   ca u s e d   b ra n d o n o i s e ,   i n t e r f e re n ce ,   a n d   f a d i n g   ch a n n e l s .   As   a   re s u l t ,   ch a n n e l   e rro i s   mi n i mi ze d   t o   a n   a cce p t a b l e   l e v e l ,   w h i ch   i s   i m p o r t a n t   t o   e n s u re   re l i a b l e   d a t a   t ra n s m i s s i o n .   I n   co n v o l u t i o n a l   e n co d e r,   t h e   t ra n s mi t t e d   d a t a   w i l l   b e   co u p l e d   w i t h   re d u n d a n cy   a n d   f o r m e d   t o   a   co d e w o rd .   F u rt h e rm o re ,   t h e   s i g n a l   i s   t ra n s m i t t e d   t o   re l a t h ro u g h   a   ch a n n e l   a f f e ct e d   b f a d i n g   a n d   A W G N   n o i s e .   T h e   re ce i v e d   s i g n a l   i n   re l a y   n o d e   w i l l   b e   a m p l i f i e d ,   o p t i mi ze d   a n d   t h e n   f o rw a rd e d   t o   d e s t i n a t i o n ,   w h e re   e a ch   re l a d o e s   n o t   h a v e   t h e   s a m e   p o w e r   a l l o ca t i o n .   A t   d e s t i n a t i o n ,   t h e   re ce i v e d   O PA   s i g n a l   w i l l   b e   co m b i n e d   b MR C   a n d   t h e n   t h e   d i v e rs i t d e c i s i o n s   a re   m a d e .   T h e   d e c i d e d   s i g n a l   i s   d e m o d u l a t e d   a n d   d e co d e d   b co n v o l u t i o n a l   d e co d e t o   o b t a i n   t h e   s a m e   d a t a   a s   t ra n s mi t t e d   b t h e   s o u rce .           F i g u re   3 .   C o m p u t e r   s i m u l a t i o n   mo d e l     Ba s e d   o n   t h e   s i m u l a t i o n   m o d e l   i n   F i g u re   3 ,   s i m u l a t i o n   p a ra m e t e rs ,   w h i ch   a re   a p p l i e d   t o   e v a l u a t e   t h e   p e r f o r ma n ce   o f   A F   co o p e ra t i v e   s ys t e w i t h   o p t i mi z e d   p o w e a l l o ca t i o n   a n d   u s i n g   co n v o l u t i o n a l   co d e s   a re   s h o w n   i n   T a b l e   1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T EL K O MN I K A     I SSN :   2 3 0 2 - 4 0 4 6     O p t i m i ze d   P o w e r   A l l o ca t i o n   f o r   C o o p e r a t i ve   A m p l i f y - a n d - F o r w a r d   w i t h     ( N a sa r u d d i n )   6 2 4 5 T a b l e   1 .   S i m u l a t i o n   P a ra m e t e r s   Pa r a m e te r   V a l u e s   I n p u t   d a t a   1 0 0 0 0 0 0   b i t s   C o n v o l u t i o n a l   C o d e   (C C )   [ 2 2 ]   -   (7 ,   5 C C   f o r a t e   = 1 / 2     -   (7 ,   7 ,   5 C C   f o r a t e =   1 / 3     M o d u l a t i o n   s c h e m e   BPSK   N u m b e o f   s o u rc e   1   N u m b e o f   r e l a y   3   N u m b e o f   d e s t i n a t i o n   1   C h a n n e l   R a y l e i g h   F a d i n g   N o i s e   A W G N   SN R   0   t o   3 0   d B   Am p l i f i c a t i o n   )   0 1   T o t a l   P o w e r   1 0 0 0   W a t t   C o m b i n i n g   t e c h n i q u e   M a x i m a l   R a t i o   C o m b i n e ( M R C )       4 .   R e s u l ts   a n d   D i s c u s s i o n s     I n   t h i s   s e ct i o n ,   t h e   p e r f o r m a n ce   o f   AF   co o p e ra t i v e   s ys t e m   w i t h   o p t i mi z e d   p o w e r   a l l o ca t i o n   a n d   u s i n g   co n v o l u t i o n a l   co d e s   w i l l   b e   e v a l u a t e d   b co n s i d e ri n g   s e v e ra l   p a ra m e t e rs   i n cl u d i n g   t h ro u g h p u t ,   BER   a n d   co n s t a n t   a m p l i f i ca t i o n   co e f i c i e n t   a t   re l a y .   T h e s e   p a ra m e t e rs   a re   o b t a i n e d   f ro m   t h e   re s u l t s   o f   co m p u t e s i m u l a t i o n   m o d e l   i n   t h e   p ro p o s e d   s ys t e m .   I n   g e n e ra l ,   t h e   s i m u l a t i o n   re s u l t s   o f   t h e   AF   p e rf o r m a n ce   w i t h   O PA   w i l l   b e   co m p a re d   t o   t h e   p e rf o r m a n ce   o f   n o n - O PA  (N O P A),   n u m b e r   o f   re l a ys   a n d   t h e   v a r i a t i o n   o f   t h e   a m p l i f i ca t i o n   co e f i c i e n t   a m o n g   re l a ys   t h a t   a re   a p p l i e d   i n   t h e   s ys t e m .   F i rs t   o f   a l l ,   F i g u re   4   s h o w t h e   n u m e r i ca l   re s u l t s   o f   e q u a t i o n   (1 6 f o t h ro u g h p u t   b y   o p t i mi z i n g   t h e   p o w e a l l o ca t i o n   b a s e d   o n   t h e   n u m b e o f   re l a ys   a n d   t h ro u g h p u t   f o n o n - co o p e ra t i v e   (d i re ct ) .   I t   i s   s h o w n   t h a t   t h ro u g h p u t   f o A F   co o p e ra t i v e   s ys t e m   i s   m u ch   b e t t e r   t h a n   t h ro u g h p u t   o f   n o n - co o p e ra t i v e .   F o e x a m p l e ,   w h e n   t h e   p o w e i s   6 0 0   W ,   t h ro u g h p u t   f o a   s i n g l e   re l a y   o f   A F   co o p e ra t i v e   s ys t e m   i s   3 . 5   b i t s / s ,   w h i l e   t h e   t h ro u g h p u t   f o r   t h e   n o n - co o p e ra t i v e   i s   2 . 2   b i t s / s .   So   t h ro u g h p u t   o f   w i re l e s s   co mm u n i ca t i o n   s ys t e m s   ca n   b e   i m p ro v e d   b c o o p e ra t i v e   s ys t e m s .   F u rt h e r m o re ,   t h e   n u m b e o f   re l a y s   w i l l   a f f e ct s   t h ro u g h p u t   o f   t h e   s ys t e m ,   w h e re   t h e   t h ro u g h p u t   i n cre a s e s   a s   t h e   n u m b e o f   re l a ys   o n   t h e   s y s t e m   i n cre a s e s .   I t   i s   n o t i ce a b l e   t h a t   w h e n   p o w e r   i s   6 0 0   W ,   t h ro u g h p u t   f o 1 ,   2   a n d   3   re l a y s   u s e d   i n   s ys t e m   a re   3 . 5   b i t s / s ,   4 . 3   b i t s / s   a n d   5 . 1   b i t s / s ,   re s p e ct i v e l y .   I n   a d d i t i o n ,   t h e   p o w e u s e d   b re l a a l s o   h a v e   i n f l u e n ce   t o   t h e   t h ro u g h p u t   o f   t h e   s ys t e m .   T h e re f o re ,   t h e   g re a t e o f   p o w e i s   u s e d   b re l a y,   t h e   b i g g e r   t h ro u g h p u t   i s   o b t a i n e d   i n   t h e   n e t w o rk .         F i g u re   4 .   T h ro u g h p u t   m u l t i - re l a y   AF   v e rs u s   p o w e t ra n smi t     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                              I SSN :   2 3 0 2 - 4 0 4 6                           T E L K O MN I K A   Vo l .   1 2 ,   N o .   8 ,   Au g u s t   2 0 1 4 :     6 2 4 3     6 2 5 3   6 2 4 4   F i g u re   5 .   BER   v e rs u s   SN R   f o r   O PA  a n d   N O PA   w i t h   c o n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 2     T h e   m a i n   p u rp o s e   o f   o p t i mi zi n g   p o w e a l l o ca t i o n   i n   t h e   p ro p o s e d   AF   co o p e ra t i v e   i s   t o   mi n i mi ze   BER .   Mo re o v e r,   c h a n n e l   co d i n g   o e rro co rre ct i o n   t e ch n i q u e s   s u ch   a s   co n v o l u t i o n a l   co d e s   h a v e   co mmo n l y   b e e n   u s e d   a n d   w e l l   i m p l e m e n t e d   i n   o rd e t o   mi n i mi ze   BER   i n   t h e   d i g i t a l   co mm u n i ca t i o n   s ys t e m s .   T h e re f o re ,   t h e   co m b i n a t i o n   o f   o p t i mi z e d   p o w e a l l o ca t i o n   (O PA)   a n d   co n v o l u t i o n a l   co d e s   w i l l   b e   a   g o o d   s o l u t i o n   f o A F   co o p e ra t i v e   co mm u n i ca t i o n   s ys t e m .   So ,   w e   f i rs t   e v a l u a t e   BER   l e v e l   o f   O P c o o p e ra t i v e   AF   u s i n g   co n v o l u t i o n a l   co d e   (7 ,   5 f o co d e   ra t e   o f   1 / 2   a n d   co n v o l u t i o n a l   co d e   (7 ,   7 ,   5 )   f o co d e   ra t e   o f   1 / 3 .   T h e   s i m u l a t i o n   re s u l t s   o f   BE R   v e rs u SN R   f o o p t i mi z e d   p o w e a l l o ca t i o n   o f   t h e   co o p e ra t i ve   AF   w i t h   co n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 2   a n d   1 / 3   a re   p re s e n t e d   i n   F i g u re s   5   a n d   6 .   At   t h e   O P s ys t e m ,   d i f f e re n t   p o w e i s   a l l o ca t e d   t o   e a ch   re l a d u ri n g   t ra n s mi s s i o n   p ro ce ss ,   w h i l e   N O PA   sys t e m   a l l o ca t e s   t h e   e q u a l   p o w e a m o n g   re l a ys   d u ri n g   t ra n s m i s s i o n .   Si m u l a t i o n   re s u l t s   re v e a l   t h a t   BER   s ys t e m   d e cre a s e s   w h e n   SN R   v a l u e   i n cre a s e s .   F u rt h e rm o re ,   t h e   BER   s i m u l a t i o n   re s u l t s   u s i n g   co n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 2   i s   s h o w n   i n   F i g u re   5 ,   w h e re   BER   O PA   s ys t e m   i s   l o w e t h a n   t h a t   o f   N O PA   s ys t e m .   F o e x a m p l e ,   w h e n   SN R   v a l u e   i s   2 0   d B,   s o   t h e   BER   f o O PA  i s   3 × 1 0    a n d   BER   f o N O PA  i s   7 × 1 0    b y   u s i n g   3   re l a y s   i n   t h e   s ys t e m ,   re s p e ct i v e l y .   W h i l e   BER   f o d i re ct   (n o n - co o p e ra t i v e t ra n s mi s s i o n   i s   1 . 5 × 1 0  .     Ba s e d   o n   t h e   re s u l t s ,   t h e   BER   f o m u l t i - re l a y   o f   O P A   s ys t e m   i s   b e t t e r   t h a n   t h a t   o f   a   s i n g l e - re l a y   s ys t e m   a n d   t h a n   t h a t   o f   m u l t i - re l a o f   N O PA  s ys t e m .   As   a   re s u l t ,   p e r f o r m a n ce   o f   BER   f o r   AF   co o p e ra t i v e   s ys t e m s   ca n   b e   e n h a n ce d   b O PA  a n d   co n v o l u t i o n a l   co d e .       F i g u re   6 .   BER   v e rs u s   SN R   f o r   O PA  a n d   N O PA   w i t h   c o n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 3     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T EL K O MN I K A     I SSN :   2 3 0 2 - 4 0 4 6     O p t i m i ze d   P o w e r   A l l o ca t i o n   f o r   C o o p e r a t i ve   A m p l i f y - a n d - F o r w a r d   w i t h     ( N a sa r u d d i n )   6 2 4 5 I n   a d d i t i o n ,   B ER   p e rf o r m a n ce   o f   A F   co o p e ra t i v e   w i t h   O PA  a n d   co n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 3   a re   cl e a r l s h o w n   i n   F i g u re   6 .   T h e   s i m u l a t i o n   re s u l t s   a l s o   d e s cri b e   t h a t   BER   s y s t e m   d e cre a s e s   w h e n   SN R   v a l u e   i n cre a s e s .   F o e x a m p l e ,   t h e   BER   f o t h e   O PA   i s   0 . 9 × 1 0    w h e n   SN R   i s   2 0   d B ,   a n d   BER   f o N O PA   i s   3 × 1 0    b y   u s i n g   3   re l a ys   i n   t h e   s ys t e m ,   re s p e ct i v e l y .   T h e   n u m b e o f   re l a ys   i n   t h e   s ys t e m   i s   a l s o   a f f e c t   t h e   B E R   p e rf o r m a n ce   o f   t h e   s ys t e m ,   w h e re   t h e   BER   p e rf o r m a n ce   d e cre a s e a s   t h e   n u m b e o f   re l a ys   i n   t h e   n e t w o rk  i n cre a se s .   Mo re o v e r,   t h e   u s e d   o f   l o w e r   co d e   ra t e   w i l l   i m p ro v e   t h e   u s e   o f   p o w e r   re s o u rce   a n d   o b t a i n   co d i n g   g a i n   f ro m   AF   co o p e ra t i v e   re l a y .   I n   o rd e t o   g a i n   BER   o f   1 0    o n     s ys t e m   w i t h   3   re l a ys ,   co n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 2   re q u i re s   SN R   v a l u e   o f   2 9 . 5   d B .   W h i l e   t h e   s ys t e w h i ch   a p p l i e s   co n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 3   n e e d s   SN R   v a l u e   o f   2 7   d B.   T h u s ,   t h e   s ys t e m   o b t a i n s   co d i n g   g a i n   o f   2 . 5   d u s i n g   t h e   co n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 3 .   O n   t h e   o t h e h a n d ,   i n   t h e   ra n g e   o f   l o w   SN R ,   t h e   BER   o f   N O PA  p e rf o r m s   b e t t e t h a n   t h e   BER   o f   O P s ys t e m   d u e   t o   t h e   i n f l u e n ce   b t yp i ca l   co n v o l u t i o n a l   co d i n g   p e rf o r m a n ce .   H o w e v e r ,   t h e   p ra ct i ca l   co mm u n i c a t i o n   s ys t e m   w i l l   e m p l o SN R > 1 0   d B   t o   a ch i e v e   t h e   mi n i m u m   B ER .   As   a   re s u l t ,   t h e   p ro p o se d   s ys t e m   ca n   e n h a n ce   t h e   p e rf o r m a n ce   o f   co o p e ra t i v e   s ys t e b mi n i mi z i n g   BER   s ys t e m s .   O n e   o f   o t h e i m p o rt a n t   p a ra m e t e rs   f o p o w e o p t i mi za t i o n   i n   co o p e ra t i v e   AF   i a m p l i f i ca t i o n   ),   w h i ch   i s   t h e   p ro ce s s   o f   a m p l i f y i n g   re l a f o t h e   o p t i mi za t i o n   o f   p o w e r   a l l o ca t i o n .   A m p l i f i ca t i o n   i s   a   b a s i o p e ra t i o n   o n   re l a y,   w h e re   t h e   re ce i v e d   s i g n a l   w i l l   b e   m u l t i p l i e d   b co n s t a n t   f a ct o o f   a m p l i f i ca t i o n   a n d   t h e n   t h e   re s u l t   o f   m u l t i p l yi n g   t h e   s i g n a l   i s   re t r a n s m i t t e d   t o   d e s t i n a t i o n .   A m p l i f i ca t i o n   f a ct o i s   v e ry  a f f e c t   o n   t h e   d i v e rs i t g a i n   o f   co o p e ra t i v e   O PA  AF .   I t   ca n   b e   se e n   cl e a rl y   f ro m   t h e   s i m u l a t i o n   re s u l t s   i n   F i g u re   7 ,   w h e re   e a ch   re l a h a s   d i f f e re n t   a m p l i f i ca t i o n   co e f i ci e n t .   H e re ,   i t   s h o w s   o n l t h e   s i m u l a t i o n   re s u l t s   f o t h e   AF   co o p e ra t i v e   s ys t e m s   w i t h   O PA  a n d   co n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 3 ,   b e ca u s e   t h e   BER   i s   b e t t e r   t h a n   t h a t   o f   co d e   ra t e   o f   1 / 2 .   As   d e p i ct e d   i n   F i g u re   7 ,     a m p l i f i ca t i o n   co e f i ci e n t   a f f e c t s   t h e   BER   p e rf o r m a n ce   o f   t h e   s ys t e m ,   w h e re   l a rg e   o f   a m p l i f i ca t i o n   co e f i ci e n t   a t   re l a g e n e ra t e s   s m a l l   BER   v a l u e .   F u rt h e r m o re ,   B ER   a cq u i re s   s i g n i f i ca n t   i m p ro v e m e n t   t o   v a l u e   o f   0 . 3 5 .   W h i l e   t h e   v a l u e   o f   0 . 3 5 ,   BER   s t i l l   g a i n   i m p ro v e m e n t   b u t   n o t   s o   s i g n i f i ca n t l y .   F o e x a m p l e ,   a t   SN R     o f   2 0   d B ,   BER   f o r   = 0 . 1 5   a t   re l a 1 ,   = 0 . 3 5   a t   re l a 2   a n d   = 0 . 5     a t   re l a 3   a re   7 × 1 0  , 2 . 5 × 1 0    a n d   1 . 7 × 1 0  ,   re s p e ct i v e l y .       F i n a l l y,   a s   c l e a rl y   s h o w n   i n   F i g u re   8 ,   BER   f o m u l t i - re l a s ys t e m   i s   e v a l u a t e d .   T o   re d u ce   t h e   co m p l e xi t o f   s i m u l a t i o n ,   i t   i s   a ss u m e d   t h a t   t h e   v a l u e   o f   t o t a l   a m p l i f i ca t i o n   + + = 1   a n d   = .   T h e   s i m u l a t i o n   re s u l t s   s h o w s   t h e   BER   p e rf o r m a n ce   o b t a i n e d   b v a ry i n g   t h e   v a l u e   o f     f ro m   0 . 1 ,   0 . 3 ,   0 , 5   a n d   0 . 9 ,   re s p e ct i v e l y .   T h e   BER   p e rf o r m a n ce   h a v e   g a i n e d   s i g n i f i ca n t l y   w h e n   =   0 . 3 .   I t   i s   n o t i ce a b l e   t o   s a t h a t   t h e   o p t i ma l   p o w e a l l o ca t i o n   i s   q u i t e   w e l l   o b t a i n e d   w h e n   t h re e - re l a s ys t e m   a l l o ca t e s   t o   e a ch   v a l u e   o f     = 0 . 2 5 ,   = 0 . 2 5   a n d   = 0 . 5 ,   re s p e ct i v e l y.       F i g u re   7 .   BER   v e rs u s   SN R   f o r   d i f f e re n t   a m p l i f i ca t i o n   w i t h   c o n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 3     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                              I SSN :   2 3 0 2 - 4 0 4 6                           T E L K O MN I K A   Vo l .   1 2 ,   N o .   8 ,   Au g u s t   2 0 1 4 :     6 2 4 3     6 2 5 3   6 2 4 4   F i g u re   8 .   BER   v e rs u s   SN R   f o r   v a ry i n g   a m p l i f i ca t i o n   w i t h   c o n v o l u t i o n a l   co d e   ra t e   o f   1 / 3       5 .   C o n c l u s i o n     T h i s   p a p e h a s   b e e n   i n v e s t i g a t e d   a n   o p t i mi ze d   p o w e a l l o ca t i o n   f o co o p e ra t i v e   a m p l i f y - a n d - f o rw a rd   (AF p ro t o co l   w i t h   co n v o l u t i o n a l   co d e s .   I n   t h e   p ro p o s e d   co o p e ra t i v e   s ys t e m ,   w e   h a v e   co n s i d e re d   a   m u l t i - re l a n e t w o rk  w i t h   t h re e - re l a y   a n d   co n v o l u t i o n a l   co d e   w i t h   ra t e s   o f   1 / 2   a n d   1 / 3 .   co m p u t e s i m u l a t i o n   m o d e l   h a s   b e e n   d e v e l o p e d   t o   e v a l u a t e   t h e   p e r f o r m a n ce   o f   t h e   p ro p o se d   s y s t e m .   Se v e ra l   p e r f o r m a n ce   p a ra m e t e rs   h a v e   b e e n   d e m o n s t ra t e d   t o   o p t i m i ze   t h e   p o w e r   a l l o ca t i o n   a m o n g   co o p e ra t i n g   re l a ys .   Si m u l a t i o n   re su l t s   h a v e   s h o w n   t h a t   t h ro u g h p u t   a n d   BER   p e r f o r m a n ce   a re   i m p ro v e d   a s   t h e   n u m b e r   o f   re l a ys   i n   t h e   n e t w o rk  i n c re a s e s .   BER   p e rf o r m a n ce   w i t h   o p t i mi ze d   p o w e a l l o ca t i o n   o u t p e r f o rm s   t h e   s ys t e w i t h o u t   o p t i mi ze d   t h e   p o w e a m o n g   re l a ys .   F u rt h e r m o re ,   t h e   u s e   o f   l o w e ra t e   o f   co n v o l u t i o n a l   co d e s   co u l d   p ro v i d e   co d i n g   g a i n   t o   o p t i mi ze d   t h e   p e r f o r m a n ce   o f   t h e   p ro p o se d   co o p e ra t i v e   s ys t e m .   Se v e ra l   s ce n a ri o f o p o w e a l l o ca t i o n   i n   t e r m s   o f   t h e   a m p l i f i ca t i o n   co e f i c i e n t   o f   re l a ys   h a v e   b e e n   s i m u l a t e d   w h i ch   g i v e   i n f l u e n ce   i n t o   t h e   s ys t e m   p e rf o r ma n ce .   Ba s e d   o n   t h e   s i m u l a t i o n   re s u l t ,   t h e   d i s t ri b u t i o n   o f   t h e   p o w e a l l o ca t i o n   a m o n g   re l a ys   b a s e d   o n   a m p l i f i ca t i o n   co e f i ci e n t   i s   v e ry   i m p o rt a n t   t o   o p t i mi ze   t h e   p e r f o r ma n ce   o f   co o p e ra t i v e   A F   s ys t e m .             R e fe r e n c e s   [ 1 ]     N a sa r u d d i n ,   M e l i n d a ,   E l l s a   F .   S .   A   M o d e l   t o   I n ve st i g a t e   P e r f o r m a n ce   o f   O r t h o g o n a l   F r e q u e n cy  C o d e   D i v i si o n   M u l t i p l e x i n g .   T E L K O M N I K A .   2 0 1 2 ;   1 0 ( 3 ) :   5 7 9 - 5 8 5 .   [ 2 ]     D a n i e l   W .   B ,   K e i t h   W .   F ,   A m a n d a   M .   C .   M I M O   W i r e l e ss  C o m m u n i ca t i o n .   L i n co l n   L a b o r a t o r Jo u r n a l .   2 0 0 5 ;   1 5 ( 1 ) :   9 7 - 1 2 6 .   [ 3 ]     M o l i sch   A .   F ,   S t e i n b a e r u   M ,   T o e l t s ch   M ,   B o n e E ,   T h o m a   R .   S .   C a p a c i t o f   M I M O   S ys t e m b a se d   o n   M e a su r e d   W i r e l e ss  C h a n n e l s .   I E E E   J.   S e l e ct .   A r e a s   C o m m u n .   2 0 0 2 ;   2 0 ( 3 ) :   5 6 1 - 5 6 9 .   [ 4 ]     N o st r a t i n i a   A ,   H u n t e r   T .   A ,   H e d a ya t   A .   C o o p e r a t i ve   C o m m u n i ca t i o n   i n   W i r e l e ss  N e t w o r ks .   I E E E   C o m m u n i ca t i o n M a g a zi n e .   2 0 0 4 .   4 2 ( 1 0 ) ;   7 4 - 8 0 .   [ 5 ]     L a n e m a n   J.   N ,   T se   C ,   W o r n e l l   G . W .   C o o p e r a t i ve   D i ve r s i t i n   W i r e l e ss  N e t w o r ks:   E f f i c i e n t   P r o t o co l s   a n d   O u t a g e   B e h a vi o r .   I E E E   T r a n s .   I n f o r m .   T h e o r y .   2 0 0 4 .   5 0 ( 1 2 ) ;   3 0 6 2 - 3 0 8 0 .   [ 6 ]     S e n d o n a r i A ,   E r ki p   E ,   A a z h a n g   B .   U se r   C o o p e r a t i o n   D i ve r s i t y -   P a r t   I I :   I m p l e m e n t a t i o n   A sp e ct a n d   P e r f o r m a n ce   A n a l ys i s .   2 0 0 3 .   5 1 ( 1 1 ) ;   1 9 3 9 - 1 9 4 8 .   [ 7 ]     N a sa r u d d i n ,   M a y l i a n a ,   R o sl i d a r .   P e r f o r m a n ce   o f   M u l t i - R e l a C o o p e r a t i ve   C o m m u n i ca t i o n   U si n g   D e co d e   a n d   F o r w a r d   P r o t o c o l .   P r o ce e d i n g o f   2 n d   A I C   a n d   8 t h   I M T - G T   U n i n e t   B i o sc i e n ce   C o n f e r e n ce .   B a n d a   A ce h .   2 0 1 2 ;   1 6 5 - 1 7 2 .   [ 8 ]     Y o a l l a n   S ,   G u a n g z e n   F ,   X u a n h u i   X .   E n e r g E f f i c i e n cy  M a x i m i z a t i o n   B a se d   o n   C o o p e r a t i ve   S e n si n g   i n   C o g n i t i ve   R e l a N e t w o r ks .   T E L K O M N I K A .   2 0 1 3 ;   1 1 ( 8 ) :   4 1 7 5 - 4 1 8 2 .     [ 9 ]     M u h a m m a d   M .   F ,   M u r a t   U .   B E R - O p t i m i z e d   P o w e r   A l l o ca t i o n   f o r   F a d i n g   R e l a C h a n n e l s.   I E E E   T r a n s .   C o m m u n i ca t i o n s .   2 0 0 8 .   7 ( 6 ) ;   2 3 5 0 - 2 3 5 9 .   [ 1 0 ]     I o a n n i K ,   Jo h n   T ,   S t e ve   M ,   N o r b e r t   G .   O p t i m i z a t i o n   I ssu e f o r   C o o p e r a t i ve   A m p l i f y - a n d - F o r w a r d   S yst e m O ve r   B l o ck - F a d i n g   C h a n n e l s .   I E E E   T r a n s .   o n   V e h i cu l a r   T e ch n o l o g y .   2 0 0 8 .   5 7 ( 5 ) ;   2 8 6 8 - 2 8 8 4 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.