Finite Length Analysis of Irregular Repetition Slotted ALOHA in the Waterfall Region

A finite length analysis is introduced for irregular repetition slotted ALOHA (IRSA) that enables to accurately estimate its performance in the moderate-to-high packet loss probability regime, i.e., in the so-called waterfall region. The analysis is tailored to the collision channel model, which enables mapping the description of the successive interference cancellation process onto the iterative erasure decoding of low-density parity-check codes. The analysis provides accurate estimates of the packet loss probability of IRSA in the waterfall region as demonstrated by Monte Carlo simulations.Comment: Accepted for publication in the IEEE Communications Letter

Non-Orthogonal Contention-Based Access for URLLC Devices with Frequency Diversity

We study coded multichannel random access schemes for ultra-reliable low-latency uplink transmissions. We concentrate on non-orthogonal access in the frequency domain, where users transmit over multiple orthogonal subchannels and inter-user collisions limit the available diversity. Two different models for contention-based random access over Rayleigh fading resources are investigated. First, a collision model is considered, in which the packet is replicated onto $K$ available resources, $K' \leq K$ of which are received without collision, and treated as diversity branches by a maximum-ratio combining (MRC) receiver. The resulting diversity degree $K'$ depends on the arrival process and coding strategy. In the second model, the slots subject to collisions are also used for MRC, such that the number of diversity branches $K$ is constant, but the resulting combined signal is affected by multiple access interference. In both models, the performance of random and deterministic repetition coding is compared. The results show that the deterministic coding approach can lead to a significantly superior performance when the arrival rate of the intermittent URLLC transmissions is low.Comment: 2019 IEEE 20th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC) - Special Session on Signal Processing for NOMA Communication System

Code Design Principles for Ultra-Reliable Random Access with Preassigned Patterns

We study medium access control layer random access under the assumption that the receiver can perform successive interference cancellation, without feedback. During recent years, a number of protocols with impressive error performance have been suggested for this channel model. However, the random nature of these protocols causes an error floor which limits their usability when targeting ultra-reliable communications. In very recent works by Paolini et al. and Boyd et. al., it was shown that if each user employs predetermined combinatorial access patterns, this error floor disappears. In this paper, we develop code design criteria for deterministic random access protocols in the ultra-reliability region, and build codes based on these principles. The suggested design methods are supported by simulations.Peer reviewe

Finite Length Analysis of Irregular Repetition Slotted ALOHA in the Waterfall Region

A finite length analysis is introduced for irregular repetition slotted ALOHA (IRSA) that enables to accurately estimate its performance in the moderate-to-high packet loss probability regime, i.e., in the so-called waterfall region. The analysis is tailored to the collision channel model, which enables mapping the description of the successive interference cancella- tion process onto the iterative erasure decoding of low-density parity-check codes. The analysis provides accurate estimates of the packet loss probability of IRSA in the waterfall region as demonstrated by Monte Carlo simulations

Оценка эффективности случайного множественного доступа к среде типа ALOHA при голосовых соединениях, передаче служебных команд, текстовых сообщений и мультимедийных файлов в условиях деструктивных воздействий

Оценка защищенности сетей цифровой радиосвязи при деструктивных воздействиях злоумышленника является важной задачей. Однако для случайного множественного доступа к среде типа ALOHA в сетях цифровой радиосвязи такая оценка не проводилась. В работе представлена аналитическая модель случайного множественного доступа к среде типа ALOHA в условиях деструктивных воздействий. В этой модели в качестве результирующего показателя оценки эффективности случайного доступа выступает обобщенный показатель, включающий вероятность успешного голосового соединения, передачи служебной команды, тестового сообщения или мультимедийного файла, степень наполнения и степень переполнения пакетами данных сети цифровой радиосвязи. Новый комплексный показатель — вероятность успешного голосового соединения, передачи служебной команды, тестового сообщения или мультимедийного файла — учитывает известные вероятности успешной доставки пакета данных, создания коллизии и свободного канала, а также новые средние времена передачи последовательности пакетов данных и коллизии, образованной при такой передаче. Новые показатели – степень наполнения и степень переполнения пакетами данных в сети цифровой радиосвязи определяют, насколько близко (далеко) от максимума находится значение комплексного показателя. Модель учитывает потенциально возможные деструктивные воздействия со стороны злоумышленника путем уточнения аналитических выражений для известных вероятностных и новых временных характеристик. Установлено, во-первых, количественная взаимосвязь между вероятностью успешного голосового соединения, передачи служебной команды, тестового сообщения или мультимедийного файла и средней длительностью коллизии в канале передачи данных, а, во-вторых, для гарантированного вывода из строя сети цифровой радиосвязи со случайным множественным доступом к среде типа ALOHA злоумышленник должен постоянно осуществлять деструктивное воздействие. Результаты работы применимы в области проектирования сетей цифровой радиосвязи, функционирующих в условиях деструктивных воздействий, а также при разработке автоматических систем оптимизации работы сетей цифровой радиосвязи и их защиты от таких воздействий

Оценка эффективности случайного множественного доступа к среде типа ALOHA при голосовых соединениях, передаче служебных команд, текстовых сообщений и мультимедийных файлов в условиях деструктивных воздействий

Assessing the security of digital radio networks in destructive impact conditions is an important task. However, such an assessment for random multiple access to the ALOHA-type environment in digital radio networks was not carried out. The paper presents an analytical model of random multiple access for the environment of digital radio networks of the ALOHA type in destructive impact conditions. In this model, acomplex measure, including the probability of a successful voice connection, the transfer of a service command, a text message or a multimedia file, the degree of filling and the degree of overflow of digital radio network data packets, serves as the resultant indicator for evaluating the effectiveness of random multiple media access. The new complex indicator of the probability of a successful voice connection, the transfer of a service command, a text message or a multimedia file takes into account the known probabilities of successful delivery of data packets, creation of a collision and a free channel, as well as new average transmission times for a sequence of data packets and a collision formed during such transmission. New indicators are the degree of filling and the degree of overflow of digital radio communications network data packets. They determine in saturated and supersaturated data networks of such a network how close (far) to maximum is the probability value of a successful voice connection, transmission of a service command, test message or multimedia file. The model takes into account the potential destructive effects of the attacker by refining the analytical expressions for the known probabilistic and new temporal characteristics. First, a quantitative relationship between the probability of a successful voice connection, the transfer of a service command, a text message or a multimedia file and the average duration of a data channel collisions is established./ Secondly, for guaranteed disabling a digital radio network with random multiple access to the medium ALOHA type attacker must constantly carry out a destructive impact. The results are applied in design of digital radio communications networks operating under destructive impacts, as well as in development of automatic systems for optimizing the operation of digital radio communications networks and protecting them from such impacts.Оценка защищенности сетей цифровой радиосвязи при деструктивных воздействиях злоумышленника является важной задачей. Однако для случайного множественного доступа к среде типа ALOHA в сетях цифровой радиосвязи такая оценка не проводилась. В работе представлена аналитическая модель случайного множественного доступа к среде типа ALOHA в условиях деструктивных воздействий. В этой модели в качестве результирующего показателя оценки эффективности случайного доступа выступает обобщенный показатель, включающий вероятность успешного голосового соединения, передачи служебной команды, тестового сообщения или мультимедийного файла, степень наполнения и степень переполнения пакетами данных сети цифровой радиосвязи. Новый комплексный показатель — вероятность успешного голосового соединения, передачи служебной команды, тестового сообщения или мультимедийного файла — учитывает известные вероятности успешной доставки пакета данных, создания коллизии и свободного канала, а также новые средние времена передачи последовательности пакетов данных и коллизии, образованной при такой передаче. Новые показатели – степень наполнения и степень переполнения пакетами данных в сети цифровой радиосвязи определяют, насколько близко (далеко) от максимума находится значение комплексного показателя. Модель учитывает потенциально возможные деструктивные воздействия со стороны злоумышленника путем уточнения аналитических выражений для известных вероятностных и новых временных характеристик. Установлено, во-первых, количественная взаимосвязь между вероятностью успешного голосового соединения, передачи служебной команды, тестового сообщения или мультимедийного файла и средней длительностью коллизии в канале передачи данных, а, во-вторых, для гарантированного вывода из строя сети цифровой радиосвязи со случайным множественным доступом к среде типа ALOHA злоумышленник должен постоянно осуществлять деструктивное воздействие. Результаты работы применимы в области проектирования сетей цифровой радиосвязи, функционирующих в условиях деструктивных воздействий, а также при разработке автоматических систем оптимизации работы сетей цифровой радиосвязи и их защиты от таких воздействий

Une approche avec l’apprentissage par renforcement profond pour le protocole IRSA

Irregular Repetition Slotted Aloha (IRSA) is one candidate member of a family of random access-based protocols to solve massive connectivity problem for Internet of Things (IoT) networks. The key features of this protocol is to allow users to repeat their packets multiple times in the same frame and use Successive Interference Cancellation (SIC) to decode collided packets at the receiver. Although, the plain IRSA scheme can asympotically reach the optimal 1 [packet/slot]. But there are still many obstacles to achieve this performance, specially when considering short frame length. In this report, we study two new variants of IRSA with short frame length, and we optimize their performance using a Deep Reinforcement Learning approach. In our first variant, Random Codeword Selection-IRSA (RC-IRSA), we consider an IRSA approach with random codeword selection, where each codeword represents the transmission strategy of a user on the slots. We apply a Deep Reinforcement Learning to optimize RC-IRSA: we train a Deep Neural Network model that choses the slots on which the user sends its packets. Our DRL approach for RC-IRSA is a new optimization method for IRSA using a DRL approach and it works as a base for our second proposed IRSA variant DS-IRSA.Our second variant is a sensing protocol based on IRSA and trained with machine learning to synchronize the nodes during the transmission and avoid collisions. For that aim, we proposed DS-IRSA, Deep Learning Sensing-based IRSA protocol which is composed of two phases: a sensing phase, where the nodes can sense the channel and send short jamming signals, followed by a classical IRSA transmission phase. We use a DRL algorithm to optimize its performance. Our proposed protocol has shown an excellent performance to achieve an optimal performance of almost 1 [decoded user/slot] for small frame sizes (≤ 5) slots and with enough sensing duration.Irregular Repetition Slotted Aloha (IRSA) est un candidat d’une famille de protocoles d’accès aléatoire pour résoudre le problème de la connectivité massive pour les réseaux de l’internet des objets (IoT). Les principales caractéristiques de ce protocole sont de permettre aux utilisateurs de répéter leurs paquets plusieurs fois dans la même trame et d’utiliser l’annulation successive d’interférences (SIC) au niveau du récepteur pour décoder les paquets en collision. Le protocole IRSA simple peut asympotiquement atteindre le 1 [paquet/slot] optimal. Mais il existe encore de nombreux obstacles pour atteindre ces performances, en particulier lorsque l’on considère une longueur courte de trame. Dans ce rapport, nous étudions deux nouvelles variantes d’IRSA avec une longueur courte de trame, et nous optimisons leurs performances en utilisant une approche d’apprentissage par renforcement profond (DRL). Dans notre première variante, Random Codeword Selection-IRSA (RC-IRSA), nous considérons une approche IRSA avec sélection aléatoire de mots de code, où chaque mot de code représente la stratégie de transmission d’un utilisateur sur les slots. Nous appliquons un DRL pour optimiser le RC-IRSA : nous utilisons un modèle avec des réseaux de neurones multi-couches qui choisit les slots sur lesquels l’utilisateur envoie ses paquets. Notre approche DRL pour RC-IRSA est une nouvelle méthode d’optimisation pour IRSA utilisant une approche DRL et elle fonctionne comme une base pournotre proposition de deuxième variante d’IRSA, DS-IRSA. Cette deuxième variante est un protocole d’écoute basé sur IRSA et entraîné avec un model d’apprentissage automatique pour synchroniser les nœuds pendant la transmission et éviter les collisions. Ainsi, nous proposons DS-IRSA, le protocole IRSA basé sur le DRL qui est composé de deux phases : une phase de détection, où les nœuds peuvent détecter le canal et envoyer de courts signaux de d’occupation du canal, suivie d’une phase de transmission IRSA classique. Nous utilisons un algorithme DRL pour optimiser ses performances. Notre protocole proposé a montré d’excellentes performances et atteint une performance optimale de près de 1 [utilisateur décodé/slot] pour les petites tailles de trame (≤ 5) slots et avec une durée de détection suffisante

Random access techniques for satellite communications

The effective coverage of satellites and the technology behind have motivated many actors to develop efficient communications for Internet access, television and telephony. For a long time, reservation resources of Demand Assignment Multiple Access (DAMA) techniques have been largely deployed in the return link of satellite communications, occupying most of the frequency bandwidth. However, these resources cannot follow the technological growth with big users communities in applications like the Internet of Things and Machine to Machine communications. Especially because the Round Trip Time is significant in addition to a potential underuse of the resources. Thus, access protocols based on ALOHA took over a big part of the Random Access (RA) research area and have considerably evolved lately. CRDSA have particularly put its fingerprint in this domain, which inspired many different techniques. In this context, a complementary method, called MARSALA comes to unlock CRDSA when packets can no longer be retrieved. This actually involves a correlation complexity related to packet localization which is necessary for replicas combinations that results in a potentially higher signal power. Accordingly, the main goal of this PhD research is to seek for effective and less complex alternatives. More precisely, the core challenge focuses on the way to manage multi-user transmissions and solve interference at reception, with the smallest complexity. In addition, the loop phenomenon which occur when multiple users transmit their packets at the same positions is tackled as it creates an error floor at the packet loss ratio performance. Synchronous and asynchronous solutions are proposed in this thesis, mainly based on providing the transmitter and the receiver with a shared prior information that could help reduce the complexity, mitigate the loop phenomenon and enhance the system performance. An in-depth description and analysis of the proposed techniques are presented in this dissertation

Proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC 1990)

Presented here are the proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC), held June 17-20, 1990 in Ottawa, Canada. Topics covered include future mobile satellite communications concepts, aeronautical applications, modulation and coding, propagation and experimental systems, mobile terminal equipment, network architecture and control, regulatory and policy considerations, vehicle antennas, and speech compression