We consider the cell-free massive multiple-input multiple-output (MIMO) downlink, where a very large number of distributed multiple-antenna access points (APs) serve many single-antenna users in the same time-frequency resource. A simple (distributed) conjugate beamforming scheme is applied at each AP via the use of local channel state information (CSI). This CSI is acquired through time-division duplex operation and the reception of uplink training signals transmitted by the users. We derive a closed-form expression for the spectral efficiency taking into account the effects of channel estimation errors and power control. This closed-form result enables us to analyze the effects of backhaul power consumption, the number of APs, and the number of antennas per AP on the total energy efficiency, as well as, to design an optimal power allocation algorithm. The optimal power allocation algorithm aims at maximizing the total energy efficiency, subject to a per-user spectral efficiency constraint and a per-AP power constraint. Compared with the equal power control, our proposed power allocation scheme can double the total energy efficiency. Furthermore, we propose AP selections schemes, in which each user chooses a subset of APs, to reduce the power consumption caused by the backhaul links. With our proposed AP selection schemes, the total energy efficiency increases significantly, especially for large numbers of APs. Moreover, under a requirement of good quality-of-service for all users, cell-free massive MIMO outperforms the colocated counterpart in terms of energy efficiency.

Localization is one of the key technologies in wireless sensor networks (WSNs), since it provides fundamental support for many location-aware protocols and applications. Constraints on cost and power consumption make it infeasible to equip each sensor node in the network with a global position system (GPS) unit, especially for large-scale WSNs. A promising method to localize unknown nodes is to use mobile anchor nodes (MANs), which are equipped with GPS units moving among unknown nodes and periodically broadcasting their current locations to help nearby unknown nodes with localization. A considerable body of research has addressed the mobile anchor node assisted localization (MANAL) problem. However, to the best of our knowledge, no updated surveys on MAAL reflecting recent advances in the field have been presented in the past few years. This survey presents a review of the most successful MANAL algorithms, focusing on the achievements made in the past decade, and aims to become a starting point for researchers who are initiating their endeavors in MANAL research field. In addition, we seek to present a comprehensive review of the recent breakthroughs in the field, providing links to the most interesting and successful advances in this research field.

Physical layer security (PLS) has been extensively explored as an alternative to conventional cryptographic schemes for securing wireless links. Many studies have shown that the cooperation between the legitimate nodes of a network can significantly enhance their secret communications performance, relative to the noncooperative case. Motivated by the importance of this class of PLS systems, this paper provides a comprehensive survey of the recent works on cooperative relaying and jamming techniques for securing wireless transmissions against eavesdropping nodes, which attempt to intercept the transmissions. First, it provides a in-depth overview of various secure relaying strategies and schemes. Next, a review of recently proposed solutions for cooperative jamming techniques is provided with an emphasis on power allocation and beamforming techniques. Then, the latest developments in hybrid techniques, which use both cooperative relaying and jamming, are elaborated. Finally, several key challenges in the domain of cooperative security are presented along with an extensive discussion on the applications of cooperative security in key enablers for 5G communications, such as nonorthogonal multiple access, device-to-device communications, and massive multiple-input multiple-output systems.

We consider the downlink of a cell-free massive multiple-input multiple-output (MIMO) network, where numerous distributed access points (APs) serve a smaller number of users under time division duplex operation. An important issue in deploying cell-free networks is high power consumption, which is proportional to the number of APs. This issue has raised the question as to their suitability for green communications in terms of the total energy efficiency (bits/Joule). To tackle this, we develop a novel low-complexity power control technique with zero-forcing precoding design to maximize the energy efficiency of cell-free massive MIMO considering the Backhaul power consumption and the imperfect channel state information.

In this paper, we investigate secure device-to-device (D2D) communication in energy harvesting large-scale cognitive cellular networks. The energy constrained D2D transmitter harvests energy from multiantenna equipped power beacons (PBs), and communicates with the corresponding receiver using the spectrum of the primary base stations (BSs). We introduce a power transfer model and an information signal model to enable wireless energy harvesting and secure information transmission. In the power transfer model, three wireless power transfer (WPT) policies are proposed: 1) co-operative power beacons (CPB) power transfer, 2) best power beacon (BPB) power transfer, and 3) nearest power beacon (NPB) power transfer. To characterize the power transfer reliability of the proposed three policies, we derive new expressions for the exact power outage probability. Moreover, the analysis of the power outage probability is extended to the case when PBs are equipped with large antenna arrays. In the information signal model, we present a new comparative framework with two receiver selection schemes: 1) best receiver selection (BRS), where the receiver with the strongest channel is selected; and 2) nearest receiver selection (NRS), where the nearest receiver is selected. To assess the secrecy performance, we derive new analytical expressions for the secrecy outage probability and the secrecy throughput considering the two receiver selection schemes using the proposed WPT policies. We presented Monte carlo simulation results to corroborate our analysis and show: 1) secrecy performance improves with increasing densities of PBs and D2D receivers due to larger multiuser diversity gain; 2) CPB achieves better secrecy performance than BPB and NPB but consumes more power; and 3) BRS achieves better secrecy performance than NRS but demands more instantaneous feedback and overhead. A pivotal conclusion is reached that with increasing number of antennas at PBs, NPB offers a comparable secrecy performance to that of BPB but with a lower complexity.

This letter proposes several relay selection policies for secure communication in cognitive decode-and-forward relay networks, where a pair of cognitive relays is opportunistically selected for security protection against eavesdropping. The first relay transmits the secrecy information to the destination, and the second relay, as a friendly jammer, transmits the jamming signal to confound the eavesdropper. We present new exact closed-form expressions for the secrecy outage probability. Our analysis and simulation results strongly support our conclusion that the proposed relay selection policies can enhance the performance of secure cognitive radio. We also confirm that the error floor phenomenon is created in the absence of jamming.

Unmanned aerial vehicles (UAVs) can be deployed as flying base stations (BSs) to leverage the strength of line-of-sight connections and effectively support the coverage and throughput of wireless communication. This paper considers a multiuser communication system, in which a single-antenna UAV-BS serves a large number of ground users by employing non-orthogonal multiple access (NOMA). The max-min rate optimization problem is formulated under total power, total bandwidth, UAV altitude, and antenna beamwidth constraints. The objective of max-min rate optimization is non-convex in all optimization variables, i.e., UAV altitude, transmit antenna beamwidth, power allocation, and bandwidth allocation for multiple users. A path-following algorithm is proposed to solve the formulated problem. Next, orthogonal multiple access (OMA) and dirty paper coding (DPC)-based max-min rate optimization problems are formulated and respective path-following algorithms are developed to solve them. The numerical results show that NOMA outperforms OMA and achieves rates similar to those attained by DPC. In addition, a clear rate gain is observed by jointly optimizing all the parameters rather than optimizing a subset of parameters, which confirms the desirability of their joint optimization.

We investigate the impact of cochannel interference on the security performance of multiple amplify-and-forward (AF) relaying networks, where N intermediate AF relays assist the data transmission from the source to the destination. The relays are corrupted by multiple cochannel interferers, and the information transmitted from the relays to the destination can be overheard by the eavesdropper. In order to deal with the interference and wiretap, the best out of N relays is selected for security enhancement. To this end, we derive a novel lower bound on the secrecy outage probability (SOP), which is then utilized to present two best relay selection criteria, based on the instantaneous and statistical channel information of the interfering links. For these criteria and the conventional max-min criterion, we quantify the impact of cochannel interference and relay selection by deriving the lower bound on the SOP. Furthermore, we derive the asymptotic SOP for each criterion, to explicitly reveal the impact of transmit power allocation among interferers on the secrecy performance, which offers valuable insights into practical design. We demonstrate that the all selection criteria achieve full secrecy diversity order N, while the proposed two criteria in this paper outperform the conventional max-min scheme.

In this paper, we study the impact of correlated fading on the secrecy performance of multiple decode-and-forward (DF) relaying with outdated relay selection. It is assumed that the information transmission, assisted by N DF relays from the source to the destination, can be overheard by an eavesdropper. Particularly, we consider the realistic scenario where the eavesdropper's and the main channels are correlated. In order to enhance the network security, the best relay is selected among N available DF relays to assist the secure transmission. Due to the time-varying channel environments, we note that the selected relay may be outdated. In order to study the impact of both channel correlation and outdated relay selection on the secrecy performance, we first derive an analytical expression for the secrecy outage probability (SOP). Also, we derive the asymptotic expression for the SOP in the high main-to-eavesdropper ratio regime. Numerical results are provided to demonstrate the correctness of our analytical expressions.