An Information Theoretic Charachterization of Channel Shortening Receivers

Optimal data detection of a linear channel can always be implemented through the Viterbi algorithm (VA). However, in many cases of interest the memory of the channel prohibits application of the VA. A popular and conceptually simple method in this case, studied since the early 70s, is to first filter the received signal in order to shorten the memory of the channel, and then to apply a VA that operates with the shorter memory. We shall refer to this as a channel shortening (CS) receiver. Although studied for almost four decades, an information theoretic understanding of what such simple receiver solution is actually doing is not available. In this paper we will show that an optimized CS receiver is implementing the chain rule of mutual information, but only up to the shortened memory that the receiver is operating with. Further, we will show that the tools for analyzing the ensuing achievable rates from an optimized CS receiver are precisely the same as the tools that are used for analyzing the achievable rates of an minimum mean square error (MMSE) receiver

An Overview of Physical Layer Security with Finite-Alphabet Signaling

Providing secure communications over the physical layer with the objective of achieving perfect secrecy without requiring a secret key has been receiving growing attention within the past decade. The vast majority of the existing studies in the area of physical layer security focus exclusively on the scenarios where the channel inputs are Gaussian distributed. However, in practice, the signals employed for transmission are drawn from discrete signal constellations such as phase shift keying and quadrature amplitude modulation. Hence, understanding the impact of the finite-alphabet input constraints and designing secure transmission schemes under this assumption is a mandatory step towards a practical implementation of physical layer security. With this motivation, this article reviews recent developments on physical layer security with finite-alphabet inputs. We explore transmit signal design algorithms for single-antenna as well as multi-antenna wiretap channels under different assumptions on the channel state information at the transmitter. Moreover, we present a review of the recent results on secure transmission with discrete signaling for various scenarios including multi-carrier transmission systems, broadcast channels with confidential messages, cognitive multiple access and relay networks. Throughout the article, we stress the important behavioral differences of discrete versus Gaussian inputs in the context of the physical layer security. We also present an overview of practical code construction over Gaussian and fading wiretap channels, and we discuss some open problems and directions for future research.Comment: Submitted to IEEE Communications Surveys & Tutorials (1st Revision

An information-theoretic view of network management

We present an information-theoretic framework for network management for recovery from nonergodic link failures. Building on recent work in the field of network coding, we describe the input-output relations of network nodes in terms of network codes. This very general concept of network behavior as a code provides a way to quantify essential management information as that needed to switch among different codes (behaviors) for different failure scenarios. We compare two types of recovery schemes, receiver-based and network-wide, and consider two formulations for quantifying network management. The first is a centralized formulation where network behavior is described by an overall code determining the behavior of every node, and the management requirement is taken as the logarithm of the number of such codes that the network may switch among. For this formulation, we give bounds, many of which are tight, on management requirements for various network connection problems in terms of basic parameters such as the number of source processes and the number of links in a minimum source-receiver cut. Our results include a lower bound for arbitrary connections and an upper bound for multitransmitter multicast connections, for linear receiver-based and network-wide recovery from all single link failures. The second is a node-based formulation where the management requirement is taken as the sum over all nodes of the logarithm of the number of different behaviors for each node. We show that the minimum node-based requirement for failures of links adjacent to a single receiver is achieved with receiver-based schemes

An Overview of Physical Layer Security with Finite Alphabet Signaling

Providing secure communications over the physical layer with the objective of achieving secrecy without requiring a secret key has been receiving growing attention within the past decade. The vast majority of the existing studies in the area of physical layer security focus exclusively on the scenarios where the channel inputs are Gaussian distributed. However, in practice, the signals employed for transmission are drawn from discrete signal constellations such as phase shift keying and quadrature amplitude modulation. Hence, understanding the impact of the finite-alphabet input constraints and designing secure transmission schemes under this assumption is a mandatory step towards a practical implementation of physical layer security. With this motivation, this article reviews recent developments on physical layer security with finite-alphabet inputs. We explore transmit signal design algorithms for single-antenna as well as multi-antenna wiretap channels under different assumptions on the channel state information at the transmitter. Moreover, we present a review of the recent results on secure transmission with discrete signaling for various scenarios including multi-carrier transmission systems, broadcast channels with confidential messages, cognitive multiple access and relay networks. Throughout the article, we stress the important behavioral differences of discrete versus Gaussian inputs in the context of the physical layer security. We also present an overview of practical code construction over Gaussian and fading wiretap channels, and discuss some open problems and directions for future research

Improved Spectrum Usage with Multi-RF Channel Aggregation Technologies for the Next-Generation Terrestrial Broadcasting

[EN] Next-generation terrestrial broadcasting targets at enhancing spectral efficiency to overcome the challenges derived from the spectrum shortage as a result of the progressive allocation of frequencies - the so-called Digital Dividend - to satisfy the growing demands for wireless broadband capacity. Advances in both transmission standards and video coding are paramount to enable the progressive roll-out of high video quality services such as HDTV (High Definition Televison) or Ultra HDTV. The transition to the second generation European terrestrial standard DVB-T2 and the introduction of MPEG-4/AVC video coding already enables the transmission of 4-5 HDTV services per RF (Radio Frequency) channel. However, the impossibility to allocate higher bit-rate within the remaining spectrum could jeopardize the evolution of the DTT platforms in favour of other high-capacity systems such as the satellite or cable distribution platforms. Next steps are focused on the deployment of the recently released High Efficiency Video Coding (HEVC) standard, which provides more than 50% coding gain with respect to AVC, with the next-generation terrestrial standards. This could ensure the competitiveness of the DTT. This dissertation addresses the use of multi-RF channel aggregation technologies to increase the spectral efficiency of future DTT networks. The core of the Thesis are two technologies: Time Frequency Slicing (TFS) and Channel Bonding (CB). TFS and CB consist in the transmission of the data of a TV service across multiple RF channels instead of using a single channel. CB spreads data of a service over multiple classical RF channels (RF-Mux). TFS spreads the data by time-slicing (slot-by-slot) across multiple RF channels which are sequentially recovered at the receiver by frequency hopping. Transmissions using these features can benefit from capacity and coverage gains. The first one comes from a more efficient statistical multiplexing (StatMux) for Variable Bit Rate (VBR) services due to a StatMux pool over a higher number of services. Furthermore, CB allows increasing service data rate with the number of bonded RF channels and also advantages when combined with SVC (Scalable Video Coding). The coverage gain comes from the increased RF performance due to the reception of the data of a service from different RF channels rather that a single one that could be, eventually, degraded. Robustness against interferences is also improved since the received signal does not depend on a unique potentially interfered RF channel. TFS was firstly introduced as an informative annex in DVB-T2 (not normative) and adopted in DVB-NGH (Next Generation Handheld). TFS and CB are proposed for inclusion in ATSC 3.0. However, they have never been implemented. The investigations carried out in this dissertation employ an information-theoretical approach to obtain their upper bounds, physical layer simulations to evaluate the performance in real systems and the analysis of field measurements that approach realistic conditions of the network deployments. The analysis report coverage gains about 4-5 dB with 4 RF channels and high capacity gains already with 2 RF channels. This dissertation also focuses on implementation aspects. Channel bonding receivers require one tuner per bonded RF channel. The implementation of TFS with a single tuner demands the fulfilment of several timing requirements. However, the use of just two tuners would still allow for a good performance with a cost-effective implementation by the reuse of existing chipsets or the sharing of existing architectures with dual tuner operation such as MIMO (Multiple Input Multiple Output).[ES] La televisión digital terrestre (TDT) de última generación está orientada a una necesaria mejora de la eficiencia espectral con el fin de abordar los desafíos derivados de la escasez de espectro como resultado de la progresiva asignación de frecuencias - el llamado Dividendo Digital - para satisfacer la creciente demanda de capacidad para la banda ancha inalámbrica. Los avances tanto en los estándares de transmisión como de codificación de vídeo son de suma importancia para la progresiva puesta en marcha de servicios de alta calidad como la televisión de Ultra AD (Alta Definición). La transición al estándar europeo de segunda generación DVB-T2 y la introducción de la codificación de vídeo MPEG-4 / AVC ya permite la transmisión de 4-5 servicios de televisión de AD por canal RF (Radiofrecuencia). Sin embargo, la imposibilidad de asignar una mayor tasa de bit sobre el espectro restante podría poner en peligro la evolución de las plataformas de TDT en favor de otros sistemas de alta capacidad tales como el satélite o las distribuidoras de cable. El siguiente paso se centra en el despliegue del reciente estándar HEVC (High Efficiency Video Coding), que ofrece un 50% de ganancia de codificación con respecto a AVC, junto con los estándares terrestres de próxima generación, lo que podría garantizar la competitividad de la TDT en un futuro cercano. Esta tesis aborda el uso de tecnologías de agregación de canales RF que permitan incrementar la eficiencia espectral de las futuras redes. La tesis se centra en torno a dos tecnologías: Time Frequency Slicing (TFS) y Channel Bonding (CB). TFS y CB consisten en la transmisión de los datos de un servicio de televisión a través de múltiples canales RF en lugar de utilizar un solo canal. CB difunde los datos de un servicio a través de varios canales RF convencionales formando un RF-Mux. TFS difunde los datos a través de ranuras temporales en diferentes canales RF. Los datos son recuperados de forma secuencial en el receptor mediante saltos en frecuencia. La implementación de estas técnicas permite obtener ganancias en capacidad y cobertura. La primera de ellas proviene de una multiplexación estadística (StatMux) de servicios de tasa variable (VBR) más eficiente. Además, CB permite aumentar la tasa de pico de un servicio de forma proporcional al número de canales así como ventajas al combinarla con codificación de vídeo escalable. La ganancia en cobertura proviene de un mejor rendimiento RF debido a la recepción de los datos de un servicio desde diferentes canales en lugar uno sólo que podría estar degradado. Del mismo modo, es posible obtener una mayor robustez frente a interferencias ya que la recepción o no de un servicio no depende de si el canal que lo alberga está o no interferido. TFS fue introducido en primer lugar como un anexo informativo en DVB-T2 (no normativo) y posteriormente fue adoptado en DVB-NGH (Next Generation Handheld). TFS y CB han sido propuestos para su inclusión en ATSC 3.0. Aún así, nunca han sido implementados. Las investigaciones llevadas a cabo en esta Tesis emplean diversos enfoques basados en teoría de la información para obtener los límites de ganancia, en simulaciones de capa física para evaluar el rendimiento en sistemas reales y en el análisis de medidas de campo. Estos estudios reportan ganancias en cobertura en torno a 4-5 dB con 4 canales e importantes ganancias en capacidad aún con sólo 2 canales RF. Esta tesis también se centra en los aspectos de implementación. Los receptores para CB requieren un sintonizador por canal RF agregado. La implementación de TFS con un solo sintonizador exige el cumplimiento de varios requisito temporales. Sin embargo, el uso de dos sintonizadores permitiría un buen rendimiento con una implementación más rentable con la reutilización de los actuales chips o su introducción junto con las arquitecturas existentes que operan con un doble sintonizador tales como[CA] La televisió digital terrestre (TDT) d'última generació està orientada a una necessària millora de l'eficiència espectral a fi d'abordar els desafiaments derivats de l'escassetat d'espectre com a resultat de la progressiva assignació de freqüències - l'anomenat Dividend Digital - per a satisfer la creixent demanda de capacitat per a la banda ampla sense fil. Els avanços tant en els estàndards de transmissió com de codificació de vídeo són de la màxima importància per a la progressiva posada en marxa de serveis d'alta qualitat com la televisió d'Ultra AD (Alta Definició). La transició a l'estàndard europeu de segona generació DVB-T2 i la introducció de la codificació de vídeo MPEG-4/AVC ja permet la transmissió de 4-5 serveis de televisió d'AD per canal RF (Radiofreqüència). No obstant això, la impossibilitat d'assignar una major taxa de bit sobre l'espectre restant podria posar en perill l'evolució de les plataformes de TDT en favor d'altres sistemes d'alta capacitat com ara el satèl·lit o les distribuïdores de cable. El següent pas se centra en el desplegament del recent estàndard HEVC (High Efficiency Vídeo Coding), que oferix un 50% de guany de codificació respecte a AVC, junt amb els estàndards terrestres de pròxima generació, la qual cosa podria garantir la competitivitat de la TDT en un futur pròxim. Aquesta tesi aborda l'ús de tecnologies d'agregació de canals RF que permeten incrementar l'eficiència espectral de les futures xarxes. La tesi se centra entorn de dues tecnologies: Time Frequency Slicing (TFS) i Channel Bonding (CB). TFS i CB consistixen en la transmissió de les dades d'un servei de televisió a través de múltiples canals RF en compte d'utilitzar un sol canal. CB difon les dades d'un servei a través d'uns quants canals RF convencionals formant un RF-Mux. TFS difon les dades a través de ranures temporals en diferents canals RF. Les dades són recuperades de forma seqüencial en el receptor per mitjà de salts en freqüència. La implementació d'aquestes tècniques permet obtindre guanys en capacitat i cobertura. La primera d'elles prové d'una multiplexació estadística (StatMux) de serveis de taxa variable (VBR) més eficient. A més, CB permet augmentar la taxa de pic d'un servei de forma proporcional al nombre de canals així com avantatges al combinar-la amb codificació de vídeo escalable. El guany en cobertura prové d'un millor rendiment RF a causa de la recepció de les dades d'un servei des de diferents canals en lloc de només un que podria estar degradat. De la mateixa manera, és possible obtindre una major robustesa enfront d'interferències ja que la recepció o no d'un servei no depén de si el canal que l'allotja està o no interferit. TFS va ser introduït en primer lloc com un annex informatiu en DVB-T2 (no normatiu) i posteriorment va ser adoptat en DVB-NGH (Next Generation Handheld). TFS i CB han sigut proposades per a la seva inclusió en ATSC 3.0. Encara així, mai han sigut implementades. Les investigacions dutes a terme en esta Tesi empren diverses vessants basades en teoria de la informació per a obtindre els límits de guany, en simulacions de capa física per a avaluar el rendiment en sistemes reals i en l'anàlisi de mesures de camp. Aquestos estudis reporten guanys en cobertura entorn als 4-5 dB amb 4 canals i importants guanys en capacitat encara amb només 2 canals RF. Esta tesi també se centra en els aspectes d'implementació. Els receptors per a CB requerixen un sintonitzador per canal RF agregat. La implementació de TFS amb un sol sintonitzador exigix el compliment de diversos requisit temporals. No obstant això, l'ús de dos sintonitzadors permetria un bon rendiment amb una implementació més rendible amb la reutilització dels actuals xips o la seua introducció junt amb les arquitectures existents que operen amb un doble sintonitzador com ara MIMO (Multiple Input Multiple Output).Giménez Gandia, JJ. (2015). Improved Spectrum Usage with Multi-RF Channel Aggregation Technologies for the Next-Generation Terrestrial Broadcasting [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/52520TESI

Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist

Covert communication in relay and RIS networks

Covert communication aims to prevent the warden from detecting the presence of communications, i.e. with a negligible detection probability. When the distance between the transmitter and the legitimate receiver is large, large transmission power is needed, which in turn increases the detection probability. Relay is an effective technique to tackle this problem, and various relaying strategies have been proposed for long-distance covert communication in these years. In this article, we first offer a tutorial on the relaying strategies utilized in covert transmission. With the emergence of reflecting intelligent surface and its application in covert communications, we propose a hybrid relay-reflecting intelligent surface (HR-RIS)-assisted strategy to further enhance the performance of covert communications, which simultaneously improves the signal strength received at the legitimate receiver and degrades that at the warden relying on optimizing both the phase and the amplitude of the HR-RIS elements. The numerical results show that the proposed HR-RIS-assisted strategy significantly outperforms the conventional RIS-aided strategy in terms of covert rate