مشارکت میان کاربران راهکاری مناسب برای افزایش کارایی سیستمهای مخابراتی بیسیم نسل آینده میباشد. از مهمترین مزایای این راهکار ایجاد گوناگونی فضایی با نام گوناگونی مشارکتی و کاهش توان مورد نیاز در ارسال میباشد. راهکارهای مختلف گوناگونی مشارکتی قابلیت اطمینان در ارسال را افزایش و احتمال خطا را کاهش میدهند، در حالی که به دلیل ارسال مکرر اطلاعات در این راهکارها، کارایی طیفی سیستم کاهش پیدا میکند. به منظور رفع این مشکل در این پایاننامه به معرفی یک پروتکل مشارکتی با هدف ایجاد بهبود در کارایی طیفی سیستم مشارکتی در کنار کاهش احتمال خطا در ارسال پرداخته شدهاست. در پروتکل پیشنهادی با هدف کمینه سازی احتمال خطا در ارسال، در گره مقصد تعیین میشود که تحت چه شرایطی ارسال به طور مستقیم و تحت چه شرایطی ارسال به طور مشارکتی انجام شود. گرههای مبدأ و رله، با بهرهگیری از فیدبک محدود از مقصد، از تصمیم مقصد مبنی بر چگونگی ارسال با خبر می- شوند. در پروتکل پیشنهادی کارایی طیفی ارسال مشارکتی با کارایی طیفی ارسال مستقیم برابر بوده و از کاهش کارایی طیفی در هنگام استفاده از مشارکت جلوگیری میشود. با مقایسه این پروتکل با سایر پروتکلهای مشارکتی معمول از جمله پروتکلهای مشارکتی ثابت، انتخابی و افزایشی ملاحظه میگردد که پروتکل پیشنهادی عملکرد بهتری نسبت به آنها ارائه میدهد. همچنین در این پایاننامه به این واقعیت پرداخته شده است که در یک شبکه مشارکتی متراکم کم- تحرک، این امکان وجود دارد که یک کاربر به دلیل داشتن موقعیت مناسب به دفعات زیاد به عنوان بهترین رله برای رله کردن اطلاعات دیگر کاربران انتخاب شده و بیشتر انرژی در دسترس خود را صرف انجام مشارکت کند. چنین کاربرانی به سرعت و قبل از آنکه بتوانند اقدام به ارسال اطلاعات خود کنند انرژیشان را از دست میدهند. از آنجا که هر کاربر انتظار دارد انرژی باتری خود را برای ارسال اطلاعات خود هزینه کند، مصرف این انرژی برای ارسال اطلاعات دیگران، در واقع نوعی بیعدالتی در مصرف انرژی کاربر تلقی میشود. همچنین تخلیه شدن سریع باتری کاربران با موقعیت مناسب، به معنی کوتاه بودن طول عمر آنها در مقایسه با سایر کاربران میباشد که این نیز نوعی بیعدالتی در شبکه محسوب میشود. برای رفع بی عدالتی در مصرف انرژی هر کاربر و طول عمر کاربران در مقایسه با یکدیگر، در این پایاننامه راهکاری ارائه شده است که با استفاده از آن علاوه بر برقراری انصاف در مصرف انرژی هر کاربر، طول عمر تمامی کاربران شبکه به یکدیگر نزدیک شده و عدالت برقرار میگردد. راهکار پیشنهادی مزایای ذکر شده را بدون از دست رفتن کارایی سیستم فراهم میکند.

چالش اساسی در طراحی شبکه¬های بی¬سیم نسل آینده تضمین کیفیت سرویس مورد انتظار کاربران و جلب رضایت آن¬ها در ارائه سرویس بهنگام با کیفیت بالا می¬باشد. برآوردن نیازهای متنوع کیفیت سرویس، نیازمند طراحی توأم پارامترهای لایه¬های مختلف یا به تعبیری طراحی بین لایه¬ای می¬باشد. از طرفی یکی از راهکارهای کارامدی که برای افزایش بهره¬وری شبکه¬های بی¬سیم نسل آینده مورد توجه می¬باشد راهکار ارسال رله¬ای است. بر این اساس هدف کلی این رساله در وهله اول ارزیابی عملکرد شبکه¬های رله از نقطه نظر کیفیت سرویس ارائه شده به کاربران و در وهله دوم ارائه طرح¬هایی بین لایه¬ای برای بهبود بخشیدن به عملکرد این نوع شبکه¬ها می¬باشد. نگرش بین لایه¬ای در مسائل مطرح شده، متکی بر تنظیم پارامترهای ارسال در لایه فیزیکی بر اساس محدودیت¬های این لایه و لایه پیوند داده می¬باشد به گونه¬ای که منجر به افزایش بهره¬وری در کنار قید احتمال تخطی از حد تأخیر شود. در این راستا از مفهوم ارزشمند ظرفیت موثر به عنوان یک مدل بین لایه¬ای کارامد، در برقراری ارتباط میان لایه فیزیکی و لایه پیوند داده بهره گرفته می¬شود. در رساله حاضر ابتدا چگونگی ارزیابی کیفیت سرویس با بهره¬گیری از مدل بین لایه¬ای ظرفیت موثر در قالب الگوریتم¬هایی مرحله به مرحله مورد بحث قرار می¬گیرد و نشان داده می¬شود که چگونه افزایش ظرفیت موثر منجر به بهبود ضمانت کیفیت سرویس و افزایش رضایت¬مندی کاربران می¬گردد. سپس عملکرد انواع شبکه¬های رله از نقطه نظر ضمانت کیفیت سرویس بر اساس ظرفیت موثرشان مورد بررسی قرار می¬گیرند. انواع شبکه¬های رله مورد بحث عبارتند از شبکه¬های تک رله با ارسال مبتنی بر پروتکل¬های ثابت و تطبیقی و شبکه¬های چند رله با ارسال مبتنی بر تکرار، ارسال مبتنی بر انتخاب بهترین رله و ارسال مبتنی بر کد مکان-زمان توزیع شده. به منظور کاهش پیچیدگی محاسباتی،عبارت تحلیلی بسته¬ای برای توابع ظرفیت موثر سیستم¬های مذکور ارائه شده و نشان داده می¬شود که روابط بسته ارائه شده پیچیدگی محاسباتی را تا مرتبه¬ای حدود برابر کاهش می¬دهند. با مقایسه عملکرد راهبردهای نام¬برده در هریک از شبکه¬های تک و چند رله، الگوهای ارسال رله¬ای بین لایه¬ای پیشنهاد می¬شود که اساس آن¬ها انتخاب شیوه مناسب ارسال برای دست¬یابی به بیشترین کیفیت ارسال می¬باشد. در بخشی دیگر با هدف استفاده کارامد از منابع رادیویی مانند توان در جهت بهبود بخشیدن به کیفیت سرویس، مسئله طراحی بین لایه¬ای تخصیص توان مطالعه شده و الگوهایی بین لایه¬ای برای تخصیص توان در انواع راهبردهای ارسال رله¬ای پیشنهاد می¬گردند. نتایج مطالعات نشان می¬دهند که طرح¬های بین لایه¬ای تخصیص توان، کیفیت سرویس را به ویژه در کاربردهای حساس به تأخیر، به طور قابل ملاحظه¬ای بهبود می¬بخشند. همچنین در یک شبکه چند کاربره به بررسی اثر تداخل میان سمبولی بر روی ظرفیت موثر پرداخته می¬شود. در بخش پایانی این رساله با لحاظ کردن بافرینگ داده در رله¬ها و تأخیر ناشی از آن، به معرفی رابطه جدیدی برای ظرفیت موثر شبکه چند رله پرداخته می¬شود. رابطه جدید ظرفیت موثر علاوه بر قید کیفیت سرویس در مبدأ به قید کیفیت سرویس در رله¬ها نیز وابسته می¬باشد.