Spectrum Sharing, Latency, and Security in 5G Networks with Application to IoT and Smart Grid

The surge of mobile devices, such as smartphones, and tables, demands additional capacity. On the other hand, Internet-of-Things (IoT) and smart grid, which connects numerous sensors, devices, and machines require ubiquitous connectivity and data security. Additionally, some use cases, such as automated manufacturing process, automated transportation, and smart grid, require latency as low as 1 ms, and reliability as high as 99.99\%. To enhance throughput and support massive connectivity, sharing of the unlicensed spectrum (3.5 GHz, 5GHz, and mmWave) is a potential solution. On the other hand, to address the latency, drastic changes in the network architecture is required. The fifth generation (5G) cellular networks will embrace the spectrum sharing and network architecture modifications to address the throughput enhancement, massive connectivity, and low latency. To utilize the unlicensed spectrum, we propose a fixed duty cycle based coexistence of LTE and WiFi, in which the duty cycle of LTE transmission can be adjusted based on the amount of data. In the second approach, a multi-arm bandit learning based coexistence of LTE and WiFi has been developed. The duty cycle of transmission and downlink power are adapted through the exploration and exploitation. This approach improves the aggregated capacity by 33\%, along with cell edge and energy efficiency enhancement. We also investigate the performance of LTE and ZigBee coexistence using smart grid as a scenario. In case of low latency, we summarize the existing works into three domains in the context of 5G networks: core, radio and caching networks. Along with this, fundamental constraints for achieving low latency are identified followed by a general overview of exemplary 5G networks. Besides that, a loop-free, low latency and local-decision based routing protocol is derived in the context of smart grid. This approach ensures low latency and reliable data communication for stationary devices. To address data security in wireless communication, we introduce a geo-location based data encryption, along with node authentication by k-nearest neighbor algorithm. In the second approach, node authentication by the support vector machine, along with public-private key management, is proposed. Both approaches ensure data security without increasing the packet overhead compared to the existing approaches

Medium access control protocol for visible light communication in vehicular communication networks

Recent achievements in the automotive industry related to lighting apparatuses include the use of LED or laser technology to illuminate the vehicle environment. This advancement resulted in greater energy efficiency and increased safety with selective illumination segments. A secondary effect was creating a new field for researchers in which they can utilize LED fast modulation using the Pulse Width Modulation (PWM) signal. Using LED to encode and transmit data is a relatively new and innovative concept. On the other field, there have been advancements in vehicular communication using radio frequency at 2.4 or 5GHz. This research focuses mainly on a field in which visible light augments or replaces radio frequency communication between vehicles. This research also investigates the effect of asymmetry on network performance using Visible Light Communication (VLC) in vehicular networks. Different types of asymmetry were defined and tested in real-world simulation experiments. Research results showed that asymmetry has a negative influence on network performance, though that effect is not significant. The main focus of the research is to develop a lightweight and new Media Access Control (MAC) protocol for VLC in vehicular networks. To develop a MAC protocol for VLC, special software was developed on top of the existing Network Simulation Environment (NSE). A new VLC MAC protocol for Vehicle to Vehicle (V2V) was benchmarked using a defined set of metrics. The benchmark was conducted as a set of designed simulation experiments against the referent IEEE 802.11b MAC protocol. Both protocols used a newly defined VLC-equipped vehicle model. Each simulation experiment depicted a specific network and traffic situation. The total number of scenarios was eleven. The last set of simulations was conducted in realworld scenarios on the virtual streets of Suffolk, VA, USA. Using defined metrics, the test showed that the new VLC MAC protocol for V2V is better than the referent protocol.Nedavna dostignuća u automobilskoj industriji koja se tiču opreme za osvjetljivanje uključuju korištenje LED ili laserskih rasvjetnih tijela za osvjetljivanje okoline. Ovime se postižu uštede u potrošnji energije kao i povećana sigurnost u prometu. LED rasvjeta je uniformnija od običnih žarulja tako da osvjetljenje bude ravnomjernije i preciznije. Obzirom da su LED selektivne moguće je odabrati segment ceste koji se želi osvijetliti. Upravo ta fleksibilnost LED otvara novi prostor za istraživače gdje mogu koristiti PWM signal za modulaciju podataka. PWM je poseban signal koji ima varijabilnu širinu pulsa na izlazu. Istraživači i znanstvenici mogu koristiti LED za kodiranje i prijenos podataka između automobila. Prednosti korištenja komunikacije u vidljivom dijelu elektro-magnetskog spektra (eng.VLC) je u činjenici da taj segment nije zaštićen licencama te je otvoren za slobodno korištenje. Osim toga, vidljivo, neintenzivno svjetlo nema biološki negativnih posljedica. Kod korištenja PWM signala za modulaciju, postojeći izlaz svjetla i njegova funkcija (osvjetljivanja ceste) nisu narušeni. Ljudsko oko ne može detektirati oscilacije tako visoke frekvencije (oko 5 kHz) S druge strane, komponente koje mogu primiti poslani signal su foto diode ili kamere. Kamere su već prisutne na modernom vozilu u obliku prednje kamere ili stražnje kamere za pomoć pri parkiranju. U svakom slučaju, tehnologija je već prisutna na modernom vozilu. Na drugom području, znanstvenici rade na komunikaciji između vozila koristeći radio valove niže frekvencije 2.4 ili 5 GHz. Komunikacija između automobila je predmet standardizacije i mnoge zemlje već propisuju pravila za obaveznu ugradnju opreme za takav oblik komunikacije. Prednost takvog koncepta je razmjena podatka; od onih za zabavu pa do kritičnih i sigurnosnih podataka npr. informacija o nadolazećem mjestu gdje se dogodila prometna nesreća. Ovo istraživanje se fokusira na proširenje ili zamjenu radio komunikacije sa komunikacijom koristeći vidljivi dio spektra (npr. LED i kamere). Jedan od glavnih nedostataka takvog koncepta je ne postojanje adekvatnog i specijaliziranog protokola za kontrolu pristupa mediju (eng. MAC). Drugi problem je nepoznati efekt asimetrije u VLC komunikaciji na performanse mrežne komunikacija. Ovo istraživanje je prepoznalo i klasificiralo različite tipove asimetrije. Svaki tip je testiran u sklopu simulacijskog eksperimenta u stvarnim scenarijima. Pokazalo se je da asimetrija negativno utječe na mrežne performanse, međutim taj efekt nije značajan jer uzrokuje manje od 0.5 % neuspješno poslanih poruka. Glavni fokus istraživanja je razvoj novog i pojednostavljenog MAC protokola za VLC komunikaciju između automobila. Kako bi se razvio novi MAC protokol nad VLC tehnologijom u prometnim mrežama, bilo je nužno napraviti i novu razvojnu okolinu koja se bazira na postojećim mrežnim simulatorima. Novi VLCMAC protokol za komunikaciju između automobila je testiran koristeći definirani set metrika. Testovi su napravljeni u obliku simulacijskih eksperimenata u kojima su uspored¯ivane performanse novog i referentnog protokola. Referentni protokol, u ovom istraživanju je IEEE 802.11b MAC protokol. U sklopu ovog rada definiran je i model vozila opremljen VLC tehnologijom. U simulacijskim eksperimentima je korišten isti model vozila za oba protokola. Za potrebe istraživanja je definirano jedanaest simulacijskih eksperimenata, svaki od njih opisuje specifične situacije u mrežnim komunikacijama kao i u prometu. Završni simulacijski scenariji uključuju okolinu iz stvarnosti, mreža ulica grada Suffolka, SAD. Osim stvarnih ulica, vozila su se kretala i razmjenjivala podatke koristeći mrežnu komunikaciju na kompletnom ISO/OSI mrežnom stogu sa zamijenjenim MAC podslojem. Razvojna okolina uključuje preciznu provjeru fizičkih karakteristika na razini putanje zrake svjetlosti. Ova preciznost je bila nužna kako bi simulacije bile što vjerodostojnije stvarnim sustavima. Obzirom da se radi o mnogo kalkulacija, obično računalo nije dostatno za izvođenje simulacijskih eksperimenata; zbog toga su se eksperimenti izvodili na klasteru računala Sveučilišta u Zagrebu. Koristeći definirane metrike, istraživanje je pokazalo kako je novi VLC MAC protokol za komunikaciju između automobila bolji od referentnog protokola.