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List of Figures vAbbreviations viii1 Introduction 11.1 Motivations and Previous Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 Cooperative Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.2 Wireless Powered Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Contributions and Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Optimization of Power Allocation and Relay Position in Multi-Hop Re-lay Networks 72.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2 Multi-hop AF Relaying in Generalized Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.1 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.2 Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 System Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.1 Joint Optimization of PA and RP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.2 Optimization of PA for Fixed RP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3.3 Optimization of RP for Fixed PA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4 Asymptotic Optimized Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4.1 Coding Gain and Diversity Order in General Fading Models . . . . . 20i2.4.2 Optimization Gains in Specific Fading Models . . . . . . . . . . . . . 232.5 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Outage-Optimal Resource Allocation for Two-Way Relaying 333.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2 System Model and Performance Metric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2.1 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2.2 Performance Metric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3 Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.1 Joint Optimization of PA and TA (OPA-OTA) . . . . . . . . . . . . 403.3.2 OPA with Suboptimal Two-Level TA (OPA-S2TA) . . . . . . . . . . 423.3.3 OPA with Suboptimal One-Level TA (OPA-S1TA) . . . . . . . . . . 443.3.4 OPA with Equal TA (OPA-ETA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.3.5 Equal PA and Equal TA (EPA-ETA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.4 Outage Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.4.1 OPA-OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.4.2 OPA-S2TA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.4.3 OPA-S1TA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.4.4 OPA-ETA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.4.5 EPA-ETA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.5 Asymptotic Outage Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.5.1 OPA-OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.5.2 OPA-S2TA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.5.3 OPA-S1TA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.5.4 OPA-ETA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.5.5 EPA-ETA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.6 SNR Gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.7 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54ii3.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614 Simultaneous Wireless Transfer of Power and Information in Two-WayRelaying Network 634.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.2 System Model and Performance Metric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.2.1 DF-TWR with PS-SWIPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.2.2 DF-TWR with TS-SWIPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.2.3 Performance Metric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.3 Resource Allocation for PS-SWIPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.3.1 Optimal PS with optimal TP (OPS/OTP) . . . . . . . . . . . . . . 714.3.2 Optimal PS with Suboptimal TP Type I (OPS/STP-I) . . . . . . . 734.3.3 Optimal PS with Suboptimal TP Type II (OPS/STP-II) . . . . . . 754.3.4 Other Suboptimal Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.4 Resource Allocation for TS-SWIPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.4.1 Optimal TS and TP (OTSTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.4.2 Suboptimal TS and TP Type I (STSTP-I) . . . . . . . . . . . . . . . 804.4.3 Suboptimal TS and TP Type II (STSTP-II) . . . . . . . . . . . . . . 814.4.4 Equal TS and TP (ETSTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.5 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875 Resource Allocation in Full-Duplex Wireless-Powered CommunicationNetwork 915.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.2 System Model and Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.3 Proposed Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.3.1 Joint PA and TA Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.3.2 PA Optimization for Equal TA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98iii5.3.3 TA Optimization with Equal PA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026 Concluding Remarks and Future Works 104A Proofs for Chapter 2. Optimization of Power Allocation and Relay Po-sition in Multi-Hop Relay Networks 106A.1 Proof of Theorem 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106A.2 Proof of Theorem 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107A.3 Proof of Theorem 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108B Proofs for Chapter 3. Outage-Optimal Resource Allocation for Two-Way Relaying 109B.1 Derivation of OPA P?(δ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109B.2 Proof of Λoo ≤ U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111B.3 Explicit Expressions of (3.41) and (3.42) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112B.4 Derivation of (3.51) and (3.52) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113B.5 Proof of (3.63) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114B.6 Closed-Form Expressions for π12 and π21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115B.7 Asymptotic Performance of FL(δ1,δ2)(1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115C Proofs for Chapter 4. Simultaneous Wireless Transfer of Power andInformation in Two-Way Relaying Network 117C.1 Derivation of Gλ1,λ2(x;α, β) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117C.2 Derivation of Kλ1,λ2(x;α, β) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120Bibliography 137
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