Performance-complexity cooperative networks amplifies and transmits selection of relays

Essa dissertação estabelece uma análise sistemática dos principais métodos de seleção de relays em redes de comunicação sem fio cooperativas, tendo como métricas de avaliação a taxa de erro de bit (BER), a complexidade computacional, a Probabilidade de Outage e a Eficiência Energética (EE). Os métodos de seleção de relays analisados incluem: Máxima Média Harmônica, Máxima Média Generalizada, Max-Min, Maior Relação Sinal-Ruído (SNR) e Seleção Aleatória. Tais escolhas se devem ao fato de serem métodos de seleção que possuem desempenho ótimo e/ou apresentarem baixa complexidade. As figuras de mérito de comparação foram selecionadas conforme o objeto de análise por conterem informações essenciais à manutenção da qualidade do serviço (QoS) em redes de comunicação. Este trabalho busca ainda estabelecer critérios para a otimização de recursos em redes cooperativas, particularmente busca-se a diminuição da complexidade no gerenciamento do sistema de comunicação como um todo, ao mesmo tempo que se considera desejável uma melhoria no tempo de vida da rede sem fio, em especial redes de sensores, sujeito a um desempenho mínimo das transmissões. Por isso, considera-se fundamental a seleção de relay em redes cooperativas. Foram considerados cenários realistas, modelados de forma que possibilitaram a alteração no esquema físico, com variação no número de hops e de links de diversidade, permitindo ao trabalho se adequar às particularidades da rede de sensores e com isso ter um viés de aplicabilidade prática dos tópicos discutidos. Para descrição dos métodos e esquemas de transmissão utiliza-se de modelos matemáticos e análises de funções, e a quantificação é feita através de simulações computacionais empregando-se método Monte Carlo. Essas simulações corroboraram as expressões analíticas já conhecidas e as derivadas neste trabalho. Como resultado, obteve-se um quadro comparativo para: os principais métodos de seleção sob diferentes cenários e condições de operação da rede em relação à taxa de erro de bit e a complexidade computacional; o comportamento dos diferentes esquemas de transmissão com seleção de relays através da Probabilidade de Outage e da Eficiência Energética; e para as conjecturas sobre esquemas de transmissão mais adequados _a determinadas aplicações conforme pontos de melhor operação de cada esquema.In this dissertation we have analyzed the behavior of main relay selection methods for wireless cooperative networks, considering representative figures of merit, e.g., bit error rate (BER), computational complexity, Outage Probability and Energy Efficiency. We have chosen representative methods based on attractive features such as suitable performance and/or lower complexity; hence we have included the Max Harmonic Mean, Max Generalized Mean, Max Min, Max Signal-to-Noise Ratio (SNR) and Random Selection methods. Such methods have been compared taking into account different parameters values of communication system and wireless channel because such parameters choice have impact on the system Quality of Service (QoS). In this work our goal have been establish criteria for resources allocation in cooperative networks, specially in wireless sensor networks, where the objective consists in complexity reduction together with an enhancement network life time subject to transmission minimum performance and maximal transmission power/energy availability. Therefore we consider relay selection a fundamental concept in cooperative networks. Hence, we have modelled and analyzed realistic schemes in terms of the possibility of changes in physical structure, number of hops and diversity links, specially applicable to sensor networks, as well as practical application of concepts and criteria. For methods and transmission schemes description, we have employed mathematical models and function analyses, while the performance quantification has been carried out through Monte Carlo simulation method. These simulations results corroborate well-known as well our developed analytical expressions. As a result, we have attempted to create a comprehensive framework, involving the main relay selection methods available in literature under different schemes and operations condition where bit error rate and computational complexity have been selected as the performance metrics. Furthermore, we have analysed outage probability and energy efficiency performance metrics of various transmission schemes in cooperative networks, which allow us conjecture about the best relay transmission scheme for specific applications