Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

Device Discovery in Frequency Hopping Wireless Ad Hoc Networks

This research develops a method for efficient discovery of wireless devices for a frequency hopping spread spectrum, synchronous, ad hoc network comprised of clustered sub-networks. The Bluetooth wireless protocol serves as the reference protocol. The development of a discovery, or outreach, method for scatternets requires the characterization of performance metrics of Bluetooth piconets, many of which are unavailable in literature. Precise analytical models characterizing the interference caused to Bluetooth network traffic by inquiring devices, the probability mass function of packet error rates between arbitrary pairs of Bluetooth networks, and Bluetooth discovery time distribution are developed. Based on the characterized performance metrics, three scatternet outreach methods are developed and compared. Outreach methods which actively inquire on a regular basis, as proposed in literature, are shown to produce lower goodput, have greater mean packet delay, require more power, and cause significant delays in discovery. By passively remaining available for outreach, each of these disadvantages is avoided

Multiuser MIMO-OFDM for Next-Generation Wireless Systems

This overview portrays the 40-year evolution of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) research. The amelioration of powerful multicarrier OFDM arrangements with multiple-input multiple-output (MIMO) systems has numerous benefits, which are detailed in this treatise. We continue by highlighting the limitations of conventional detection and channel estimation techniques designed for multiuser MIMO OFDM systems in the so-called rank-deficient scenarios, where the number of users supported or the number of transmit antennas employed exceeds the number of receiver antennas. This is often encountered in practice, unless we limit the number of users granted access in the base station’s or radio port’s coverage area. Following a historical perspective on the associated design problems and their state-of-the-art solutions, the second half of this treatise details a range of classic multiuser detectors (MUDs) designed for MIMO-OFDM systems and characterizes their achievable performance. A further section aims for identifying novel cutting-edge genetic algorithm (GA)-aided detector solutions, which have found numerous applications in wireless communications in recent years. In an effort to stimulate the cross pollination of ideas across the machine learning, optimization, signal processing, and wireless communications research communities, we will review the broadly applicable principles of various GA-assisted optimization techniques, which were recently proposed also for employment inmultiuser MIMO OFDM. In order to stimulate new research, we demonstrate that the family of GA-aided MUDs is capable of achieving a near-optimum performance at the cost of a significantly lower computational complexity than that imposed by their optimum maximum-likelihood (ML) MUD aided counterparts. The paper is concluded by outlining a range of future research options that may find their way into next-generation wireless systems

Medium access control design for distributed opportunistic radio networks

Existing wireless networks are characterized by a fixed spectrum assignment policy. However, the scarcity of available spectrum and its inefficient usage demands for a new communication paradigm to exploit the existing spectrum opportunistically. Future Cognitive Radio (CR) devices should be able to sense unoccupied spectrum and will allow the deployment of real opportunistic networks. Still, traditional Physical (PHY) and Medium Access Control (MAC) protocols are not suitable for this new type of networks because they are optimized to operate over fixed assigned frequency bands. Therefore, novel PHY-MAC cross-layer protocols should be developed to cope with the specific features of opportunistic networks. This thesis is mainly focused on the design and evaluation of MAC protocols for Decentralized Cognitive Radio Networks (DCRNs). It starts with a characterization of the spectrum sensing framework based on the Energy-Based Sensing (EBS) technique considering multiple scenarios. Then, guided by the sensing results obtained by the aforementioned technique, we present two novel decentralized CR MAC schemes: the first one designed to operate in single-channel scenarios and the second one to be used in multichannel scenarios. Analytical models for the network goodput, packet service time and individual transmission probability are derived and used to compute the performance of both protocols. Simulation results assess the accuracy of the analytical models as well as the benefits of the proposed CR MAC schemes

Spectrum sharing and management techniques in mobile networks

Το φάσμα συχνοτήτων αποδεικνύεται σπάνιο κομμάτι για τους πόρους ενός κινητού δικτύου το οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψιν στη σχεδίαση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων 5ης γενιάς. Επιπλέον οι πάροχοι κινητών δικτύων θα πρέπει να επαναπροσδιορίσουν επιχειρησιακά μοντέλα τα οποία μέχρι τώρα δεν θεωρούνταν αναγκαία (π.χ., γνωσιακά ραδιοδίκτυα), ή να εξετάσουν την υιοθέτηση νέων μοντέλων που αναδεικνύονται (π.χ., αδειοδοτούμενη από κοινού πρόσβαση) ώστε να καλύψουν τις ολοένα αυξανόμενες ανάγκες για εύρος ζώνης. Ο μερισμός φάσματος θεωρείται αναπόφευκτος για συστήματα 5G και η διατριβή παρέχει λύση για προσαρμοστικό μερισμό φάσματος με πολλαπλά καθεστώτα εξουσιοδότησης, βάσει ενός καινοτόμου αρχιτεκτονικού πλαισίου το οποίο επιτρέπει στα δικτυακά στοιχεία να λαμβάνουν αποφάσεις για απόκτηση φάσματος. Η προτεινόμενη διαδικασία λήψης αποφάσεων είναι μία καινοτόμα τεχνική προσαρμοστικού μερισμού φάσματος βασιζόμενη σε ελεγκτές ασαφούς λογικής που καθορίζονν το καταλληλότερο σχήμα μερισμού φάσματος και σε ενισχυμένη μάθηση που ρυθμίζει τους κανόνες ασαφούς λογικής, στοχεύοντας να βρει τη βέλτιστη πολιτική που πρέπει να ακολουθεί ο πάροχος ώστε να προσφέρει την επιθυμητή ποιότητα υπηρεσιών στους χρήστες, διατηρώντας πόρους (οικονομικούς ή ραδιοπόρους) όπου είναι εφικτό. Η τελευταία συνεισφορά της διατριβής είναι ένας μηχανισμός που εξασφαλίζει δίκαιη πρόσβαση σε φάσμα ανάμεσα σε χρήστες σε σενάρια στα οποία η εκχώρηση άδειας χρήσης φάσματος δεν είναι προαπαιτούμενη.Radio spectrum has loomed out to be a scarce resource that needs to be carefully considered when designing 5G communication systems and Mobile Network Operators (MNOs) will need to revisit business models that were not of their prior interest (e.g. Cognitive Radio) or consider adopting new business models that emerge (e.g. Licensed Shared Access) so as to cover the extended capacity needs. Spectrum sharing is considered unavoidable for 5G systems and this thesis provides a solution for adaptive spectrum sharing under multiple authorization regimes based on a novel architecture framework that enables network elements to proceed in decisions for spectrum acquisition. The decision making process for spectrum acquisition proposed is a novel Adaptive Spectrum Sharing technique that uses Fuzzy Logic controllers to determine the most suitable spectrum sharing option and reinforcement learning to tune the fuzzy logic rules, aiming to find an optimal policy that MNO should follow in order to offer the desirable Quality of Service to its users, while preserving resources (either economical, or radio) when possible. The final contribution of this thesis is a mechanism that ensures fair access to spectrum among the users in scenarios in which conveying spectrum license is not prerequisite

Distributed Power Control and Medium Access Control Protocol Design for Multi-Channel Ad Hoc Wireless Networks

In the past decade, the development of wireless communication technologies has made the use of the Internet ubiquitous. With the increasing number of new inventions and applications using wireless communication, more interference is introduced among wireless devices that results in limiting the capacity of wireless networks. Many approaches have been proposed to improve the capacity. One approach is to exploit multiple channels by allowing concurrent transmissions, and therefore it can provide high capacity. Many available, license-exempt, and non-overlapping channels are the main advantages of using this approach. Another approach that increases the network capacity is to adjust the transmission power; hence, it reduces interference among devices and increases the spatial reuse. Integrating both approaches provides further capacity. However, without careful transmission power control (TPC) design, the network performance is limited. The first part of this thesis tackles the integration to efficiently use multiple channels with an effective TPC design in a distributed manner. We examine the deficiency of uncontrolled asymmetrical transmission power in multi-channel ad hoc wireless networks. To overcome this deficiency, we propose a novel distributed transmission power control protocol called the distributed power level (DPL) protocol for multi-channel ad hoc wireless networks. DPL allocates different maximum allowable power values to different channels so that the nodes that require higher transmission power are separated from interfering with the nodes that require lower transmission power. As a result, nodes select their channels based on their minimum required transmission power to reduce interference over the channels. We also introduce two TPC modes for the DPL protocol: symmetrical and asymmetrical. For the symmetrical mode, nodes transmit at the power that has been assigned to the selected channel, thereby creating symmetrical links over any channel. The asymmetrical mode, on the other hand, allows nodes to transmit at a power that can be lower than or equal to the power assigned to the selected channel. In the second part of this thesis, we propose the multi-channel MAC protocol with hopping reservation (MMAC-HR) for multi-hop ad hoc networks to overcome the multi-channel exposed terminal problem, which leads to poor channel utilization over multiple channels. The proposed protocol is distributed, does not require clock synchronization, and fully supports broadcasting information. In addition, MMAC-HR does not require nodes to monitor the control channel in order to determine whether or not data channels are idle; instead, MMAC-HR employs carrier sensing and independent slow channel hopping without exchanging information to reduce the overhead. In the last part of this thesis, a novel multi-channel MAC protocol is developed without requiring any change to the IEEE 802.11 standard known as the dynamic switching protocol (DSP) based on the parallel rendezvous approach. DSP utilizes the available channels by allowing multiple transmissions at the same time and avoids congestion because it does not need a dedicated control channel and enables nodes dynamically switch among channels. Specifically, DSP employs two half-duplex interfaces: One interface follows fast hopping and the other one follows slow hopping. The fast hopping interface is used primarily for transmission and the slow hopping interface is used generally for reception. Moreover, the slow hopping interface never deviates from its default hopping sequence to avoid the busy receiver problem. Under single-hop ad hoc environments, an analytical model is developed and validated. The maximum saturation throughput and theoretical throughput upper limit of the proposed protocol are also obtained

Infrared ranging in multipath environments for indoor localization of mobile targets

Esta tesis aborda el problema de la medida de diferencias de distancia mediante señales ópticas afectadas por multicamino, aplicada a la localización de agentes móviles en espacios interiores. Los avances en robótica, entornos inteligentes y vehículos autónomos han creado un campo de aplicación específico para la localización en interiores, cuyos requerimientos de precisión (en el rango de los cm) son muy superiores a los demandados por las aplicaciones de localización orientadas a personas, en cuyo contexto se han desarrollado la mayor parte de las alternativas tecnológicas. La investigación con métodos de geometría proyectiva basados en cámaras y de multilateración basados en medida de distancia con señales de radiofrecuencia de banda ancha, de ultrasonido y ópticas han demostrado un rendimiento potencial adecuado para cubrir estos requerimientos. Sin embargo, todas estas alternativas, aún en fase de investigación, presentan dificultades que limitan su aplicación práctica. En el caso de los sistemas ópticos, escasamente estudiados en este contexto, los trabajos previos se han basado en medidas de diferencia de fase de llegada de señales infrarrojas moduladas sinusoidalmente en intensidad. Una infraestructura centralizada computa medidas diferenciales, entre receptores fijos, de la señal emitida desde el móvil a posicionar, y calcula la posición del móvil mediante trilateración hiperbólica a partir de éstas. Estas investigaciones demostraron que se pueden alcanzar precisiones de pocos centímetros; sin embargo, las interferencias por multicamino debidas a la reflexión de la señal óptica en superficies del entorno pueden degradar esta precisión hasta las decenas de centímetros dependiendo de las características del espacio. Así pues, el efecto del multicamino es actualmente la principal fuente de error en esta tecnología, y por tanto, la principal barrera a superar para su implementación en situaciones reales. En esta tesis se propone y analiza un sistema de medida con señales ópticas que permite obtener estimaciones de diferencias de distancia precisas reduciendo el efecto crítico del multicamino. El sistema propuesto introduce una modulación con secuencias de ruido pseudoaleatorio sobre la modulación sinusoidal típicamente usada para medida de fase por onda continua, y aprovecha las propiedades de ensanchamiento en frecuencia de estas secuencias para reducir el efecto del multicamino. El sistema, que realiza una doble estimación de tiempo y fase de llegada, está compuesto por una etapa de sincronización que posibilita la demodulación parcialmente coherente de la señal recibida, seguida de un medidor diferencial de fase sobre las componentes desensanchadas tras la demodulación. Las condiciones de multicamino óptico típicas en espacios interiores, con una componente de camino directo claramente dominante, permiten que el proceso de demodulación recupere más potencia del camino directo que del resto de contribuciones, reduciendo el efecto del multicamino en la estimación final. Los resultados obtenidos demuestran que la aplicación del método propuesto permitiría realizar posicionamiento a partir de señales ópticas con el rendimiento adecuando para aplicaciones de robótica y guiado de vehículos en espacios interiores; además, el progresivo aumento de la potencia y el ancho de banda de los dispositivos optoelectrónicos disponibles permite esperar un incremento considerable de las prestaciones de la propuesta en los próximos años