大規模多元接続ネットワークのためのグラフ構造に基づくランダムアクセス方式

電気通信大学201

Modern Random Access for Satellite Communications

The present PhD dissertation focuses on modern random access (RA) techniques. In the first part an slot- and frame-asynchronous RA scheme adopting replicas, successive interference cancellation and combining techniques is presented and its performance analysed. The comparison of both slot-synchronous and asynchronous RA at higher layer, follows. Next, the optimization procedure, for slot-synchronous RA with irregular repetitions, is extended to the Rayleigh block fading channel. Finally, random access with multiple receivers is considered.Comment: PhD Thesis, 196 page

Internet of Things and Sensors Networks in 5G Wireless Communications

This book is a printed edition of the Special Issue Internet of Things and Sensors Networks in 5G Wireless Communications that was published in Sensors

Internet of Things and Sensors Networks in 5G Wireless Communications

This book is a printed edition of the Special Issue Internet of Things and Sensors Networks in 5G Wireless Communications that was published in Sensors

Internet of Things and Sensors Networks in 5G Wireless Communications

The Internet of Things (IoT) has attracted much attention from society, industry and academia as a promising technology that can enhance day to day activities, and the creation of new business models, products and services, and serve as a broad source of research topics and ideas. A future digital society is envisioned, composed of numerous wireless connected sensors and devices. Driven by huge demand, the massive IoT (mIoT) or massive machine type communication (mMTC) has been identified as one of the three main communication scenarios for 5G. In addition to connectivity, computing and storage and data management are also long-standing issues for low-cost devices and sensors. The book is a collection of outstanding technical research and industrial papers covering new research results, with a wide range of features within the 5G-and-beyond framework. It provides a range of discussions of the major research challenges and achievements within this topic

Energy and Spectral Efficient Wireless Communications

Energy and spectrum are two precious commodities for wireless communications. How to improve the energy and spectrum efficiency has become two critical issues for the designs of wireless communication systems. This dissertation is devoted to the development of energy and spectral efficient wireless communications. The developed techniques can be applied to a wide range of wireless communication systems, such as wireless sensor network (WSN) designed for structure health monitoring (SHM), medium access control (MAC) for multi-user systems, and cooperative spectrum sensing in cognitive radio systems. First, to improve the energy efficiency in SHM WSN, a new ultra low power (ULP) WSN is proposed to monitor the vibration properties of structures such as buildings, bridges, and the wings and bodies of aircrafts. The new scheme integrates energy harvesting, data sensing, and wireless communication into a unified process, and it achieves significant energy savings compared to existing WSNs. Second, a cross-layer collision tolerant (CT) MAC scheme is proposed to improve energy and spectral efficiency in a multi-user system with shared medium. When two users transmit simultaneously over a shared medium, a collision happens at the receiver. Conventional MAC schemes will discard the collided signals, which result in a waste of the precious energy and spectrum resources. In our proposed CT-MAC scheme, each user transmits multiple weighted replicas of a packet at randomly selected data slots in a frame, and the indices of the selected slots are transmitted in a special collision-free position slot at the beginning of each frame. Collisions of the data slots in the MAC layer are resolved by using multiuser detection (MUD) in the PHY layer. Compared to existing schemes, the proposed CT-MAC scheme can support more simultaneous users with a higher throughput. Third, a new cooperative spectrum sensing scheme is proposed to improve the energy and spectral efficiency of a cognitive radio network. A new Slepian-Wolf coded cooperation scheme is proposed for a cognitive radio network with two secondary users (SUs) performing cooperative spectrum sensing through a fusion center (FC). The proposed scheme can achieve significant performance gains compared to existing schemes

Antenna and Random Access Solutions for nano-satellite and 5G networks operating in the millimiter-wave domain

L\u2019obiettivo di questa tesi \ue8 la discussione di soluzioni per reti satellitari basate su nano-satelliti e reti 5G, operanti in onde millimetriche. I contributi originali di questo lavoro interessano due settori che ricoprono un ruolo chiave nel contesto delle comunicazioni digitali ad alta velocit\ue0 e alta capacit\ue0: i meccanismi di condivisione del mezzo trasmissivo basati sull\u2019accesso casuale e le antenne a schiera riconfigurabili e compatte. I risultati ottenuti in questi due ambiti sono poi applicati in un\u2019architettura di rete che integra sistemi 5G terrestri e una costellazione di nanosatelliti in orbita bassa. Le comunicazioni satellitari sono sempre pi\uf9 parte integrante della vita quotidiana. Negli ultimi anni, si \ue8 registrata una crescita notevole dei piccoli satelliti (da 1 a 100 kg), sia in termini di tecnologia, che di frequenza di utilizzo. Non solo vengono lanciati in gran numero, ma si \ue8 iniziato ad utilizzarli in costellazioni da diverse decine di unit\ue0. Questa attivit\ue0 \ue8 l\u2019indicatore di una prospettiva ormai prossima: gli sviluppi nel settore dell\u2019Information and Communication Technology hanno avviato diverse iniziative che puntano ad utilizzare megacostellazioni di satelliti come reti per la fornitura di servizi di comunicazione a banda larga. Lo sfruttamento delle onde millimetriche rappresenta quindi un punto cardine per soddisfare la crescente richiesta di capacit\ue0 dei sistemi radio di prossima generazione. Inoltre, lo scenario che ne risulta \ue8 tale da richiedere una connettivit\ue0 completa, cos\uec che ogni satellite operi come un nodo di rete a tutto tondo, con possibilit\ue0 di collegamento tra la terra e lo spazio, e da satellite a satellite. In tale contesto, il ricorso a moderne tecniche di accesso casuale \ue8 particolarmente indicato. Negli ultimi anni si \ue8 assistito a un rinnovato interesse per i protocolli di tipo Aloha, grazie alla possibilit\ue0 di dotare i ricevitori di sistemi di cancellazione dell\u2019interferenza. A tale proposito, viene presentato un nuovo algoritmo che affianca alla cancellazione iterativa di interferenza lo sfruttamento dell\u2019effetto cattura, tenendo al tempo stesso presente la possibile non idealit\ue0 della cancellazione, e quindi la presenza di un residuo. Le sue prestazioni sono confrontate con i metodi attualmente adottati negli standard, mostrando un miglioramento del throughput pari al 31%. Viene inoltre presentata la sintesi di un\u2019antenna a schiera operante in banda Ka adatta per l\u2019uso su nanosatelliti. La schiera risultante offre interessanti benefici in termini di larghezza di banda, polarizzazione e versatilit\ue0, essendo possibile un utilizzo dual-task (downlink verso terra e collegamentointersatellitare). I risultati cos\uec ottenuti sono poi utilizzati per dimostrare, in un simulatore tempo discreto ed evento discreto, le prestazioni ottenibili da un\u2019architettura di rete integrante segmenti di rete radiomobile 5G con una dorsale costituita da una costellazione di nanosatellti. Il simulatore si avvale inoltre di un modello teorico per valutare l\u2019impatto della distribuzione geometrica dei nodi interferenti su una comunicazione in onde millimetriche di tipo line-of-sight. Tale modello, validato con simulazioni di tipo Monte Carlo, contempla i diagrammi di radiazione delle antenne e i recenti modelli di canale in onde millimetriche, che tengono in considerazione rumore, dispersione angolare, fading e bounded path loss. Sono state ricavate delle formulazioni analitiche per la distribuzione della potenza di rumore e interferenza, che consentono di valutare in forma chiusa la probabilit\ue0 di cattura. Tale impostazione \ue8 stata infine usata per discutere gli effetti dell\u2019interferenza sulla capacit\ue0 di Shannon di un collegamento in uplink operante in onde millimetriche, prendendo in considerazione delle condizioni realistiche per il canale