3,882 research outputs found

    Analysis and Design of Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) Techniques for Next Generation Wireless Communication Systems

    Get PDF
    The current surge in wireless connectivity, anticipated to amplify significantly in future wireless technologies, brings a new wave of users. Given the impracticality of an endlessly expanding bandwidth, there’s a pressing need for communication techniques that efficiently serve this burgeoning user base with limited resources. Multiple Access (MA) techniques, notably Orthogonal Multiple Access (OMA), have long addressed bandwidth constraints. However, with escalating user numbers, OMA’s orthogonality becomes limiting for emerging wireless technologies. Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA), employing superposition coding, serves more users within the same bandwidth as OMA by allocating different power levels to users whose signals can then be detected using the gap between them, thus offering superior spectral efficiency and massive connectivity. This thesis examines the integration of NOMA techniques with cooperative relaying, EXtrinsic Information Transfer (EXIT) chart analysis, and deep learning for enhancing 6G and beyond communication systems. The adopted methodology aims to optimize the systems’ performance, spanning from bit-error rate (BER) versus signal to noise ratio (SNR) to overall system efficiency and data rates. The primary focus of this thesis is the investigation of the integration of NOMA with cooperative relaying, EXIT chart analysis, and deep learning techniques. In the cooperative relaying context, NOMA notably improved diversity gains, thereby proving the superiority of combining NOMA with cooperative relaying over just NOMA. With EXIT chart analysis, NOMA achieved low BER at mid-range SNR as well as achieved optimal user fairness in the power allocation stage. Additionally, employing a trained neural network enhanced signal detection for NOMA in the deep learning scenario, thereby producing a simpler signal detection for NOMA which addresses NOMAs’ complex receiver problem

    LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volume

    Get PDF
    LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volum

    Підвищення продуктивності низькоенергетичних безпроводових каналів зв’язку сенсорних телекомунікаційних систем

    Get PDF
    Шмігель Б. О. Підвищення продуктивності низькоенергетичних безпроводових каналів зв’язку сенсорних телекомунікаційних систем. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 – Телекомунікації та радіотехніка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2022. В сучасному світі, життя людини нерозривно пов’язане з обміном інформацією. Надзвичайно швидкими темпами зростають і вимоги користувачів до якості, швидкості і безпеки прийому та передачі даних, зберігаючи при цьому можливість вільного пересування. Задовольняти ці потреби – власне і є ціллю безпроводових мереж. Сенсорні мережі займають ключову роль у разі необхідності оперативного розгортання, мобільності, гнучкості організації мережі і широті можливих додатків, у багатьох випадках будучи єдиним економічно виправданим рішенням. Однією із ключових задач забезпечення функціонування сенсорної мережі є забезпечення надійного та продуктивного передавання інформації в умовах обмежених ресурсів, зокрема, енергетичних. Враховуючи розмір сенсора, основною вимогою до сенсорних мереж – є забезпечення низького енергоспоживання та достовірного прийому. Автономність роботи залежить від енергії, що споживається вузлами системи. Для досягнення достовірного зв’язку, мають місце наступні компоненти: - достатня енергетика (обмежена для сенсорних мереж) - мала швидкість передачі (обмежена вимогами до сенсорних мереж) - інструменти для підтримання достовірності (завадостійке кодування) Під низькою енергетикою будемо вважати відношення сигнал-шум h 2 <10. Параметр h 2 є результатом взаємодії трьох незалежних параметрів: - потужністю сигналу в точці прийому - спектральної щільності шуму - швидкості передачі символів Продуктивність – це фактична швидкість передачі інформації джерела. Ключ до вирішення задачі отримання максимальної продуктивності лежить у площині теорії інформації, засновником якої є К. Шеннон. Інструментом досягнення максимальної продуктивності, як міри наближення швидкості передачі повідомлень джерела до границі Шеннона є вибір оптимальних сигнально-кодових конструкцій, які дозволяють передавати повідомлення з максимально можливою швидкістю і заданою якістю. Міра наближення продуктивності каналу зв’язку до його пропускної здатності характеризує інформаційну ефективність системи передачі інформації. Метою роботи є синтез сигналів, що максимально наближають продуктивність каналу зв’язку до пропускної здатності при обмежених ресурсах каналу. У роботі досліджена актуальна задача підвищення продуктивності низькоенергетичних безпроводових каналів зв’язку. На відміну від традиційних систем безпроводового зв’язку, сенсорна мережа включає велику кількість пристроїв, які повинні передавати інформацію до базової станції. Сенсорні вузли можуть встановлюватися стаціонарно або мати можливість довільно пересуватися в певному просторі, тому вони повинні бути автономними, самоорганізованими та не потребують установки. Область покриття такої мережі вкрай обмежена і може досягати десятки та сотні метрів. Тому однією з головних умов до такої мережі – це забезпечення мінімального енергоспоживання та достовірного прийому в умовах низької енергетики. Основною задачею при побудови сенсорної мережі є достовірна оцінка енергетичних характеристик безпроводового каналу зв’язку. Виходячи із вищесказаного, для розгортання сенсорних мереж актуальним питанням є ефективне проектування сенсорної мережі: необхідна кількість пристроїв, їх характеристики, розміщення, енергетичні характеристики каналів, траси розповсюдження, тощо. Для вирішення обмежень ресурсу каналу зв’язку, перспективним являється пошук нових методів передачі інформації, вибору ефективного виду модуляції та завадостійкого кодування. Основним інструментом для передачі інформації є сигнали багатопозиційної маніпуляції. Вибір поєднання типу модуляції і швидкості завадостійкого коду, забезпечує максимально можливу ефективність, забезпечуючи відповідну надійність каналу зв’язку. В якості розглянутих сигналів обрано сигнали багатопозиційної маніпуляції BPSK, QPSK, QAM16. Високошвидкісні види модуляції не розглядаються, так як сенсорна мережа не передбачує передачу великих масивів інформації, а також має обмежену енергію сигналу. Широкосмугові сигнали є одним з відомих методів для підвищення завадостійкості каналу, але властивості таких сигналів в умовах обмеженого ресурсу та енергії сигналу не досліджені. Для визначення найбільш оптимального способу передачі сигналів в умовах низької енергетики, проведено дослідження властивостей ШСС на основі моделей оцінки якості каналів зв’язку, а також порівняння характеристики завадостійкості з ВСС та еквівалентною енергією сигналу. Для визначення максимальної продуктивності передачі в безпроводових низькоенергетичних каналах зв’язку, необхідно дослідити показники продуктивності використання сигналів заданого виду модуляції та порівняти їх з широкосмуговими сигналами з різними значеннями бази сигналу B. Виявилося, що широкосмугові сигнали не забезпечують кращої достовірності в порівнянні з вузькосмуговими при однаковій потужності випромінювання та способі обробки. Класичні формули для оцінки завадостійкості багатопозиційних сигналів достовірні для високої енергетики, однак для h 2 - 0 не є точними. Тому для точного визначення точної достовірності прийому для таких умов, пропонується використання векторно-фазового методу. Векторно-фазовий метод дозволяє отримати точні розрахунки при будь-якій енергетиці, на відміну від формул Прокіса, що можуть використовуватись тільки для високої енергетики. Загальним підсумком дослідження є оцінка продуктивності СКК, яка дозволяє в каналі з заданими частотно-енергетичними параметрами визначити ефективність використання визначеного виду модуляції та кодування за критерієм наближення до границі Шеннона, або максимуму інформаційної ефективності при заданій достовірності сигналу в точці прийому. Методика дозволяє оцінити ефективність використання ресурсів каналів зв’язку з багатопозиційною маніпуляцією та завадостійким кодуванням, а також кількісно оцінити витрати на реалізацію заходів щодо підвищення достовірності або продуктивності у вимірі запропонованих показників. Дослідження питань підвищення продуктивності низькоенергетичних безпроводових каналів зв’язку забезпечить побудову сенсорних телекомунікаційних систем для успішного виконання поставлених завдань. Новими в дисертації є наступні результати: 1. Вдосконалено використання векторно-фазового методу для визначення завадостійкості багатопозиційних сигналів в умовах низької енергетики. Класичні формули Прокіса не є точними для низької енергетики. 2. Вдосконалено методику синтезу сигналу, яка дозволяє знайти екстремум продуктивності каналу зв’язку та наблизити до його пропускної здатності – границі Шеннона. 3. Вдосконалено методику оцінки ефективності використання ресурсів каналу зв’язку.Shmihel B. Increasing the performance of low-power wireless communication channels of sensor telecommunication systems – Scientific qualification work on the rights of the manuscript. Dissertation for the Doctor of Philosophy degree in technical sciences, specialty 172 - Telecommunications and radio engineering. – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2022. In the modern world, human life is inextricably connected with the exchange of information. User requirements for the quality, speed, and security of receiving and transmitting data are also growing extremely fast while maintaining the possibility of mobility. Satisfying these needs is the purpose of wireless networks. Sensor networks play a key role in the need for rapid deployment, mobility, networking flexibility and a variety of possible applications, in many cases being the only cost-effective solution. One of the key tasks of functioning in the sensor network is to ensure reliable and efficient data transmission in conditions of limited resources. Given the size of the sensor, the main requirement for sensor networks is to provide low power consumption and reliable reception. Their autonomy depends on the energy consumed by the nodes of the system. To achieve the necessary reliability, the following components take place: - sufficient energy (limited for sensor networks) - low transmission rate (limited by requirements for sensor networks) - tools for maintaining reliability (noise-correcting coding) By low energy, we will consider the signal-to-noise ratio h 2 <10. Parameter h 2 is the result of the interaction of three independent parameters: - signal strength at the receiving point - noise spectral density - symbol rate Performance is the actual speed of information transfer of the source. The key to solving the problem of obtaining maximum performance lies in the plane of the theory of information, founded by K. Shannon. The tool for achieving maximum performance, as the approach of the channel performance to its bandwidth, is the choice of optimal signal-code constructions that allow messages to be transmitted at the highest possible speed and with a given quality. The approach of the channel performance to its bandwidth characterizes the information efficiency of the information transmission system. The research aims to synthesize signals that bring the channel performance as close as possible to the throughput with limited channel resources. The research contains the actual problem of increasing productivity in lowenergy wireless communication channels. Unlike traditional wireless communication systems, a sensor network includes many devices that should transmit information to a base station. Sensor nodes can be placed permanently or be able to move in a certain space, so they must be autonomous, self-organized and do not require installation. The coverage area of such a network is extremely limited and can reach tens and hundreds of meters. The main task in building a sensor network is a reliable assessment of the energy characteristics of a wireless communication channel. Based on the foregoing, for the deployment of sensor networks, an important issue is the effective design of a sensor network: the required number of devices, their characteristics, placement, energy characteristics of channels, propagation paths, etc. To solve the limitations of the communication channel, it is promising to search for new methods for transmitting information, choosing an effective type of modulation and error-correcting coding. The basic tool for transmitting information is the signals of multi-position modulation. The choice of a combination of modulation type and error code rate provides the highest possible efficiency while providing adequate reliability to the communication channel. The multi-position modulation signals BPSK, QPSK and QAM16 were chosen as the considered signals. High-speed modulation types are not considered, since the sensor network does not involve the transmission of large amounts of information and has limited signal energy. Broadband signals are one of the well-known methods for improving the noise immunity of a channel, but the properties of such signals under conditions of limited resources and signal energy have not been studied. To determine the most optimal method of signal transmission in low energy conditions, research on the properties of the narrowband signals was carried out based on models for assessing the quality of communication channels and comparing the noise immunity characteristic of wideband signals with equivalent signal energy. To determine the maximum transmission performance in wireless low-energy communication channels, it is necessary to investigate the performance indicators of a given type of modulation signals and compare them with wideband signals with different values of the signal base B. It turned out that wideband signals do not provide better reliability compared to narrowband signals with the same transmission power and processing method. The classical formulas for estimating the noise immunity of multi-position signals are accurate for high energy, but for h2 - 0 they are not accurate. Therefore, to determine the exact reliability for such conditions, it is proposed to use the vectorphase method. The vector-phase method helps to obtain accurate calculations for any energy, in contrast to the Prokis formulas, which can only be used for high energy. The overall result of the research is performance evaluation of signal-code construction, that allows determining the efficiency of using a certain type of modulation and coding in a channel with given frequency and energy parameters according to the criterion of maximum approach to the Shannon bound, or the maximum of information efficiency for given signal reliability. Using this technique, it possible to evaluate the efficiency of using the resources of communication channels with multi-position modulation and error-correcting coding and calculate the costs of implementing measures to improve the reliability or performance of the proposed indicators. Research on improving the performance of low-energy wireless communication channels will help to build sensor telecommunication systems for the successful completion of tasks. Research contains the following new results: 1. The use of the vector-phase method for determining the noise immunity of multi-position signals under low energy conditions has been improved. The classic Prokis formulas are not accurate for low energy. 2. The method of signal synthesis has been improved, which makes it is possible to find the extremum of the communication channel performance and bring it closer to its capacity – the Shannon bounds. 3. The methodology for evaluating the effectiveness of the communication channel resources has been improved

    Communication, Localization and Synchronization of Spacecraft for Swarm Missions

    Get PDF
    Swarm missions are based on the use of several spacecraft working together to pursue a specific task for a specific mission. To allow these elements to work together, it is necessary for them to be able to communicate with each other and to synchronize themselves within the swarm. Moreover, the mission may likely require knowing the relative or absolute positions of the spacecraft in the swarm. In order to collect simultaneous measurements allowing computing localization and synchronization in the swarm, a full duplex CDMA communication method is studied by CNES. An Inter Satellite Link (ISL) transmitter prototype is currently under development and first performance evaluation is conducted. CNES is also working on measurement signal processing. Based on signal exchange between satellites, one can estimate jointly the distance and clock offset between a pair of satellites. In parallel, CNES is developing a swarm simulator implying both dynamics and functional behavior of each spacecraft in the swarm. First, this simulator will be software only but its architecture will allow integration of hardware equipment in a future version. This simulator will be used for the validation of the services provided by the link at a system level

    Integration of hybrid networks, AI, Ultra Massive-MIMO, THz frequency, and FBMC modulation toward 6g requirements : A Review

    Get PDF
    The fifth-generation (5G) wireless communications have been deployed in many countries with the following features: wireless networks at 20 Gbps as peak data rate, a latency of 1-ms, reliability of 99.999%, maximum mobility of 500 km/h, a bandwidth of 1-GHz, and a capacity of 106 up to Mbps/m2. Nonetheless, the rapid growth of applications, such as extended/virtual reality (XR/VR), online gaming, telemedicine, cloud computing, smart cities, the Internet of Everything (IoE), and others, demand lower latency, higher data rates, ubiquitous coverage, and better reliability. These higher requirements are the main problems that have challenged 5G while concurrently encouraging researchers and practitioners to introduce viable solutions. In this review paper, the sixth-generation (6G) technology could solve the 5G limitations, achieve higher requirements, and support future applications. The integration of multiple access techniques, terahertz (THz), visible light communications (VLC), ultra-massive multiple-input multiple-output ( μm -MIMO), hybrid networks, cell-free massive MIMO, and artificial intelligence (AI)/machine learning (ML) have been proposed for 6G. The main contributions of this paper are a comprehensive review of the 6G vision, KPIs (key performance indicators), and advanced potential technologies proposed with operation principles. Besides, this paper reviewed multiple access and modulation techniques, concentrating on Filter-Bank Multicarrier (FBMC) as a potential technology for 6G. This paper ends by discussing potential applications with challenges and lessons identified from prior studies to pave the path for future research

    University of Windsor Graduate Calendar 2023 Spring

    Get PDF
    https://scholar.uwindsor.ca/universitywindsorgraduatecalendars/1027/thumbnail.jp

    Anpassen verteilter eingebetteter Anwendungen im laufenden Betrieb

    Get PDF
    The availability of third-party apps is among the key success factors for software ecosystems: The users benefit from more features and innovation speed, while third-party solution vendors can leverage the platform to create successful offerings. However, this requires a certain decoupling of engineering activities of the different parties not achieved for distributed control systems, yet. While late and dynamic integration of third-party components would be required, resulting control systems must provide high reliability regarding real-time requirements, which leads to integration complexity. Closing this gap would particularly contribute to the vision of software-defined manufacturing, where an ecosystem of modern IT-based control system components could lead to faster innovations due to their higher abstraction and availability of various frameworks. Therefore, this thesis addresses the research question: How we can use modern IT technologies and enable independent evolution and easy third-party integration of software components in distributed control systems, where deterministic end-to-end reactivity is required, and especially, how can we apply distributed changes to such systems consistently and reactively during operation? This thesis describes the challenges and related approaches in detail and points out that existing approaches do not fully address our research question. To tackle this gap, a formal specification of a runtime platform concept is presented in conjunction with a model-based engineering approach. The engineering approach decouples the engineering steps of component definition, integration, and deployment. The runtime platform supports this approach by isolating the components, while still offering predictable end-to-end real-time behavior. Independent evolution of software components is supported through a concept for synchronous reconfiguration during full operation, i.e., dynamic orchestration of components. Time-critical state transfer is supported, too, and can lead to bounded quality degradation, at most. The reconfiguration planning is supported by analysis concepts, including simulation of a formally specified system and reconfiguration, and analyzing potential quality degradation with the evolving dataflow graph (EDFG) method. A platform-specific realization of the concepts, the real-time container architecture, is described as a reference implementation. The model and the prototype are evaluated regarding their feasibility and applicability of the concepts by two case studies. The first case study is a minimalistic distributed control system used in different setups with different component variants and reconfiguration plans to compare the model and the prototype and to gather runtime statistics. The second case study is a smart factory showcase system with more challenging application components and interface technologies. The conclusion is that the concepts are feasible and applicable, even though the concepts and the prototype still need to be worked on in future -- for example, to reach shorter cycle times.Eine große Auswahl von Drittanbieter-Lösungen ist einer der Schlüsselfaktoren für Software Ecosystems: Nutzer profitieren vom breiten Angebot und schnellen Innovationen, während Drittanbieter über die Plattform erfolgreiche Lösungen anbieten können. Das jedoch setzt eine gewisse Entkopplung von Entwicklungsschritten der Beteiligten voraus, welche für verteilte Steuerungssysteme noch nicht erreicht wurde. Während Drittanbieter-Komponenten möglichst spät -- sogar Laufzeit -- integriert werden müssten, müssen Steuerungssysteme jedoch eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Echtzeitanforderungen aufweisen, was zu Integrationskomplexität führt. Dies zu lösen würde insbesondere zur Vision von Software-definierter Produktion beitragen, da ein Ecosystem für moderne IT-basierte Steuerungskomponenten wegen deren höherem Abstraktionsgrad und der Vielzahl verfügbarer Frameworks zu schnellerer Innovation führen würde. Daher behandelt diese Dissertation folgende Forschungsfrage: Wie können wir moderne IT-Technologien verwenden und unabhängige Entwicklung und einfache Integration von Software-Komponenten in verteilten Steuerungssystemen ermöglichen, wo Ende-zu-Ende-Echtzeitverhalten gefordert ist, und wie können wir insbesondere verteilte Änderungen an solchen Systemen konsistent und im Vollbetrieb vornehmen? Diese Dissertation beschreibt Herausforderungen und verwandte Ansätze im Detail und zeigt auf, dass existierende Ansätze diese Frage nicht vollständig behandeln. Um diese Lücke zu schließen, beschreiben wir eine formale Spezifikation einer Laufzeit-Plattform und einen zugehörigen Modell-basierten Engineering-Ansatz. Dieser Ansatz entkoppelt die Design-Schritte der Entwicklung, Integration und des Deployments von Komponenten. Die Laufzeit-Plattform unterstützt den Ansatz durch Isolation von Komponenten und zugleich Zeit-deterministischem Ende-zu-Ende-Verhalten. Unabhängige Entwicklung und Integration werden durch Konzepte für synchrone Rekonfiguration im Vollbetrieb unterstützt, also durch dynamische Orchestrierung. Dies beinhaltet auch Zeit-kritische Zustands-Transfers mit höchstens begrenzter Qualitätsminderung, wenn überhaupt. Rekonfigurationsplanung wird durch Analysekonzepte unterstützt, einschließlich der Simulation formal spezifizierter Systeme und Rekonfigurationen und der Analyse der etwaigen Qualitätsminderung mit dem Evolving Dataflow Graph (EDFG). Die Real-Time Container Architecture wird als Referenzimplementierung und Evaluationsplattform beschrieben. Zwei Fallstudien untersuchen Machbarkeit und Nützlichkeit der Konzepte. Die erste verwendet verschiedene Varianten und Rekonfigurationen eines minimalistischen verteilten Steuerungssystems, um Modell und Prototyp zu vergleichen sowie Laufzeitstatistiken zu erheben. Die zweite Fallstudie ist ein Smart-Factory-Demonstrator, welcher herausforderndere Applikationskomponenten und Schnittstellentechnologien verwendet. Die Konzepte sind den Studien nach machbar und nützlich, auch wenn sowohl die Konzepte als auch der Prototyp noch weitere Arbeit benötigen -- zum Beispiel, um kürzere Zyklen zu erreichen
    corecore