Polar Coding Schemes for Cooperative Transmission Systems

: In this thesis, a serially-concatenated coding scheme with a polar code as the outer code and a low density generator matrix (LDGM) code as the inner code is firstly proposed. It is shown that that the proposed scheme provides a method to improve significantly the low convergence of polar codes and the high error floor of LDGM codes while keeping the advantages of both such as the low encoding and decoding complexity. The bit error rate results show that the proposed scheme by reasonable design have the potential to approach a performance close to the capacity limit and avoid error floor effectively. Secondly, a novel transmission protocol based on polar coding is proposed for the degraded half-duplex relay channel. In the proposed protocol, the relay only needs to forward a part of the decoded source message that the destination needs according to the exquisite nested structure of polar codes. It is proved that the scheme can achieve the capacity of the half-duplex relay channel while enjoying low encoding/decoding complexity. By modeling the practical system, we verify that the proposed scheme outperforms the conventional scheme designed by low-density parity-check codes by simulations. Finally, a generalized partial information relaying protocol is proposed for degraded multiple-relay networks with orthogonal receiver components (MRN-ORCs). In such a protocol, each relay node decodes the received source message with the help of partial information from previous nodes and re-encodes part of the decoded message for transmission to satisfy the decoding requirements for the following relay node or the destination node. For the design of polar codes, the nested structures are constructed based on this protocol and the information sets corresponding to the partial messages forwarded are also calculated. It is proved that the proposed scheme achieves the theoretical capacity of the degraded MRN-ORCs while still retains the low-complexity feature of polar codes

Network coding for delay challenged environments

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2010.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 191-196).Delay is a fundamental problem of data communication and networks, a problem that is not usually addressed in classical coding, information or networking theory. We focus on the general problem of delay challenged networks. This delay challenge may be related to different reasons, for example, 1) large latency, which can affect the performance of the system in delay, throughput or energy efficiency, 2) half-duplex constraints on the nodes, which precludes a node to receive and transmit at the same time, and/or 3) application-level requirements for reliable, fast and efficient dissemination of information. We consider three main problems of study and the role of network coding on solving these problems. The first is related to the problem of reliable communication in time-division duplexing channels, also known as half-duplex channels, in the presence of large latency. In large latency channels, feedback about received packets may lag considerably the transmission of the original packets, limiting the feedback's usefulness. Moreover, the time duplex constraints may entail that receiving feedback may be costly. In this work, we consider tailoring feedback and (network) coding jointly in such settings to reduce the mean delay for successful in order reception of packets. We find that, in certain applications, judicious choices provide results that are close to those that would be obtained with a full-duplex system. The second part of this thesis studies the problem of data dissemination in arbitrary networks. In particular, we study the problem of minimizing the delay incurred in disseminating a finite number of data packets. We show that the optimal solution to the problem can be thought of as a scheduling problem, which is hard to solve. Thus, we consider the use of a greedy linear network coding algorithm that only takes into account the current state of the system to make a decision. The proposed algorithm tries to maximize the impact on the network at each slot, i.e., maximize the number of nodes that will benefit from the coded packet sent by each active transmitter. We show that our scheme is considerably better, in terms of the number of slots to complete transmission, than schemes that choose the node with more information as the transmitter The third part of this work studies the case of underwater acoustic networks as an example of delay challenged networks. We consider the use of network coding under two different lights. First, as a means to obtain a lower bound on the transmission power of multicast connections in underwater networks. Second, to develop practical schemes useful in such networks. Finally, we study upper bounds on the transport capacity of underwater acoustic networks under unicast connections. We show that the amount of information that can be exchanged by each source-destination pair in underwater acoustic networks goes to zero as the number of nodes n goes to infinity. This occurs at least at a rate n-1/Qe-Wo(O(n-k)) where Wo represents the branch zero of the Lambert W function, and a path loss exponent of a. Note that typical values of the path loss exponent are a E [1, 2] for underwater acoustic networks. This is significantly different to the a > 2 of radio wireless applications.by Daniel Enrique Lucani.Ph.D

Bit-Wise Decoders for Coded Modulation and Broadcast Coded Slotted ALOHA

This thesis deals with two aspects of wireless communications. The first aspect is about efficient point-to-point data transmission. To achieve high spectral efficiency, coded modulation, which is a concatenation of higher order modulation with error correction coding, is used. Bit-interleaved coded modulation (BICM) is a pragmatic approach to coded modulation, where soft information on encoded bits is calculated at the receiver and passed to a bit-wise decoder. Soft information is usually obtained in the form of log-likelihood ratios (also known as L-values), calculated using the max-log approximation. In this thesis, we analyze bit-wise decoders for pulse-amplitude modulation (PAM) constellations over the additive white Gaussian noise (AWGN) channel when the max-log approximation is used for calculating L-values. First, we analyze BICM systems from an information theoretic perspective. We prove that the max-log approximation causes information loss for all PAM constellations and labelings with the exception of a symmetric 4-PAM constellation labeled with a Gray code. We then analyze how the max-log approximation affects the generalized mutual information (GMI), which is an achievable rate for a standard BICM decoder. Second, we compare the performance of the standard BICM decoder with that of the ML decoder. We show that, when the signal-to-noise ratio (SNR) goes to infinity, the loss in terms of pairwise error probability is bounded by 1.25 dB for any two codewords. The analysis further shows that the loss is zero for a wide range of linear codes. The second aspect of wireless communications treated in this thesis is multiple channel access. Our main objective here is to provide reliable message exchange between nodes in a wireless ad hoc network with stringent delay constraints. To that end, we propose an uncoordinated medium access control protocol, termed all-to-all broadcast coded slotted ALOHA (B-CSA), that exploits coding over packets at the transmitter side and successive interference cancellation at the receiver side. The protocol resembles low-density parity-check codes and can be analyzed using the theory of codes on graphs. The packet loss rate performance of the protocol exhibits a threshold behavior with distinct error floor and waterfall regions. We derive a tight error floor approximation that is used for the optimization of the protocol. We also show how the error floor approximation can be used to design protocols for networks, where users have different reliability requirements. We use B-CSA in vehicular networks and show that it outperforms carrier sense multiple access currently adopted as the MAC protocol for vehicular communications. Finally, we investigate the possibility of establishing a handshake in vehicular networks by means of B-CSA

The Effect of Network Topology on Credit Network Throughput

Credit networks rely on decentralized, pairwise trust relationships (channels) to exchange money or goods. Credit networks arise naturally in many financial systems, including the recent construct of payment channel networks in blockchain systems. An important performance metric for these networks is their transaction throughput. However, predicting the throughput of a credit network is nontrivial. Unlike traditional communication channels, credit channels can become imbalanced; they are unable to support more transactions in a given direction once the credit limit has been reached. This potential for imbalance creates a complex dependency between a network's throughput and its topology, path choices, and the credit balances (state) on every channel. Even worse, certain combinations of these factors can lead the credit network to deadlocked states where no transactions can make progress. In this paper, we study the relationship between the throughput of a credit network and its topology and credit state. We show that the presence of deadlocks completely characterizes a network's throughput sensitivity to different credit states. Although we show that identifying deadlocks in an arbitrary topology is NP-hard, we propose a peeling algorithm inspired by decoding algorithms for erasure codes that upper bounds the severity of the deadlock. We use the peeling algorithm as a tool to compare the performance of different topologies as well as to aid in the synthesis of topologies robust to deadlocks

Computer-network Solutions for Pervasive Computing

Lo scenario delle reti di comunicazione di tipo wireless sta rapidamente evolvendo verso i sistemi pervasivi in cui i dispositivi wireless, di diversi tipi e grandezze, costituiscono parte integrante dell’ambiente in cui sono immersi, ed interagiscono continuamente ed in maniera trasparente con gli utenti che vi vivono o che lo attraversano. Si parla a tal proposito anche di ambienti intelligenti. Seguendo l’evoluzione dai sistemi mobili a quelli pervasivi, questa tesi rivisita diversi tipi di ambienti wireless che si sono sviluppati e diffusi negli ultimi 20 anni: a partire dalle wireless LANs, proseguendo con le reti ad hoc, per finire con le reti opportunistiche. Sebbene molte problematiche delle reti wireless si ripropongano in quasi tutti gli scenari (ad esempio il risparmio energetico), a scenari wireless diversi corrispondono in genere utilizzi differenti e diversi fabbisogni degli utenti, come pure problemi specifici che richiedono soluzioni dedicate. Alcune soluzioni specifiche sono analizzate e proposte in questa tesi. Le reti WLANs basate su infrastruttura sono usate generalmente per fornire accesso alla rete Internet ed infatti lo scenario che le comprende è solitamente riferito come Wireless Internet. Nonostante la presenza dell’infrastruttuta fissa garantisca in generale una trasmissione di dati affidabile, l’utilizzo di questo tipo di reti per fornire esattamente gli stessi tipi di servizi delle reti fisse provoca un elevato consumo di risorse che all’interno delle WLANs sono invece limitate. Inoltre l’utilizzo dei protocolli dello stack TCP/IP sui link wireless è di solito fonte di inefficienze viste le profonde differenze esistenti fra i link wireless e quelli fissi. La progettazione di servizi in uno scenario di wireless Internet ha come primario obiettivo quello di garantire la fruizione da parte degli utenti mobili senza soluzione di continuità, mascherando così la presenza del link wireless che ha banda nominale inferiore rispetto ai link fissi ed è soggetto a maggiori perdite, e supportando la mobilità degli utenti all’interno delle zone di copertura (handoff). La gestione dei servizi di wireless Internet deve sempre essere integrata con soluzioni di risparmio energetico tese ad allungare il più possibile l’autonomia energetica dei dispositivi degli utenti (alimentati a batteria) garantendo così loro un servizio duraturo nel tempo. Abbiamo studiato una soluzione per servizi di streaming audio-video verso terminali mobili in un ambiente di wireless LAN. Oltre a garantire la continuità della riproduzione multimediale con buona qualità, questa soluzione ottimizza il consumo energetico del terminale wireless agendo sulla scheda di rete wireless. Durante lo streaming infatti, la scheda di rete viene periodicamente messa in uno stato a basso consumo energetico (sleep). I periodi di sleep della scheda vengono calcolati adattivamente in funzione dello stato di avanzamento della riproduzione multimediale e della banda disponibile istantaneamente sul canale wireless opportunamente monitorato. Il riposo della scheda di rete non incide sul processo di riproduzione e quindi sulla qualità del servizio percepita dall’utente mobile. A differenza delle WLANs, le reti MANETs sono prive di infrastruttura fissa ed i nodi che vi partecipano si autoconfigurano ed autoorganizzano tra di loro. Le MANETs si mostrano particolarmente adatte ad esigenze temporanee di gruppi di utenti che vogliano condividere dati, scambiarsi messaggi, o altro. Uno dei principali interessi di ricerca nell’ambito delle reti MANETs ha riguardato storicamente lo studio dei protocolli di routing per l’instradamento delle informazioni fra nodi sorgente e nodi destinatari. In una rete MANET infatti, vista l’assenza di infrastruttura, ogni nodo è coinvolto nella funzione di instradamento. Negli ultimi anni tuttavia, un nuovo aspetto di ricerca sta acquistando sempre maggiore attenzione e riguarda la sperimentazione su testbed reali. Le poche esperienze sperimentali eseguite su MANETs hanno dimostrato l’inadeguatezza degli studi di tipo analitico-simulativo nel giudicare l’efficacia delle soluzioni progettate per reti MANETs. Questo è principalmente dovuto al fatto che gli scenari wireless sono estremamente complessi e soggetti a fenomeni di diversa natura che influiscono sulle comunicazioni ma che sono difficilmente condensabili in un modello analitico completo. I modelli esistenti nei simulatori attualmente diffusi sono spesso causa di errori nel validare o al contrario bocciare le soluzioni ed i protocolli testati. Le attività di sperimentazione su testbed reali hanno dunque un duplice scopo: i) validare protocolli e soluzioni proposte attualmente, e ii) gettare le basi per la costruizione di nuovi modelli analitici e simulativi che siano maggiormente attendibili di quelli attuali. L’esperienza condotta su di un testbed reale per reti ad hoc comprendente portatili e palmari fino ad un totale di 12 nodi, ha dimostrato l’efficacia delle implementazioni di due protocolli di routing: AODV (Ad hoc On demand Distance Vector) ed OLSR (Optimized Link State Routing). Tuttavia, benchè entrambi siano funzionalmente corretti, mostrano comportamenti differenti quando usati per supportare servizi di livello middleware ed applicativi (vedi ad esempio file sharing o trasferimenti ftp). In particolare, i ritardi causati dalla scoperta delle rotte in AODV sono spesso causa di inefficienze o addirittura di interruzione del servizio. OLSR invece, seppure responsabile di un overhead di traffico maggiore, si mostra maggiormente adatto alle interazioni con i servizi dei livelli superiori. Infine, l’esperienza ha dimostrato la necessità di ripensare molti dei servizi disponibili su rete fissa per adeguarli alle caratteristiche delle reti wireless e particolarmente di quelle ad hoc. Una nuova tipologia di reti wireless sta emergendo attualmente e si sta rivelando di particolare interesse: quella delle reti opportunistiche. Le reti opportunistiche non si appoggiano su alcuna infrastruttura fissa, né cercano di autoconfigurarsi in una infrastruttura wireless temporanea costituita da nodi vicini. Sfruttano le opportunità di contatto che si verificano fra i nodi (dispositivi wireless di piccola taglia) trasportati dagli utenti nelle loro attività quotidiane (ad esempio a lavoro, sugli autobus, a scuola o all’università, ecc.). I messaggi sono scambiati ogni qualvolta si renda possibile, ovunque sia possibile ed il successo della loro trasmissione è strettamente legato alle dinamiche sociali in cui sono coinvolti gli utenti che trasportano i dispositivi ed alla storia degli incontri tra individui. Data la mobilità estremamente elevata che caratterizza questo nuovo scenario di reti, e la nota rumorosità delle comunicazioni wireless, l’affidabilità delle trasmissioni emerge come uno dei fattori di principale interesse. Infatti, le comunicazioni possono aver luogo soltanto durante i periodi di contatto tra i nodi e devono essere estremamente veloci ed efficaci. Questo porta a dover fare uno sforzo di progettazione per nuovi protocolli di comunicazione che si diversifichino da quelli oggi più diffusi e basati sulla ritrasmissione dei dati mancanti. Le ritrasmissioni infatti, nella maggior parte dei casi potrebbero non poter essere eseguite per mancanza di tempo. Una strategia valida per gestire l’affidabilità delle comunicazioni opportunistiche in simili scenari estremi (caratterizzati cioè da scarse risorse e scarsa connettività) prevede l’utilizzo combinato di tecniche di codifica dei dati e strategie di instradamento di tipo epidemico. Questo approccio sfrutta la ridondanza sia delle informazioni, sia dei percorsi. La ridondanza delle informazioni dà robustezza a fronte della perdita dei dati in rete poiché è necessario che soltanto un sottoinsieme dei codici generati arrivi a destinazione per consentire al ricostruzione corretta delle informazioni. La ridondanza dei percorsi invece è necessaria poichè non è possibile predirre in anticipo la sequenza dei contatti che può portare i dati a destinazione e pertanto è necessario distribuire l’informazione in più direzioni. Le reti opportunistiche caratterizzate dalla presenza di dispositivi con limitata autonomia energetica e risorse limitate, offrono attualmente lo scenario che meglio traduce il concetto di sistemi pervasivi. Di particolare interesse è il caso delle reti di sensori sparse in cui i sensori sono disposti nell’ambiente con funzione di monitoraggio ed i dati che collezionano vengono raccolti da degli agenti mobili che passano nelle vicinanze e che sono noti come data MULEs. I data MULEs possono utilizzare le informazioni acquisite dai sensori per eseguire applicazioni dipendenti dal contesto o possono semplicemente inoltrarle fino a quando raggiungono l’infrastruttura dove vengono elaborati e memorizzati. Le interazioni fra i sensori immersi nell’ambiente ed i data MULEs sono soltanto un primo passo di un sistema di comunicazione globale completamente opportunistico in cui i data MULEs scambiano l’un l’altro le informazioni che trasportano fino a quando infine, i dati pervengono alle destinazioni più lontane. In questo scenario, le comunicazioni wireless completano naturalmente le interazioni fra gli utenti e si verificano ogni qualvolta gli utenti si incontrano oppure si avvicinano casualmente l’un l’altro, dovunque questa interazione avvenga. Per supportare un simile framework, è necessario sviluppare nuovi paradigmi di comunicazione che tengano in considerazione l’assenza di link stabili tra i nodi che comunicano (connettività intermittente) e che assumano quindi la disponibilità di brevi periodi di contatto per comunicare. Inoltre i nuovi paradigmi di comunicazione devono generalmente assumere l’assenza di un percorso completo fra i nodi sorgente e destinatario e sfruttare invece forme di instradamento delle informazioni che sono simili al modo in cui avvengono le interazioni sociali fra le persone. Strategie di instradamento basate su codifica dei dati offrono una valida soluzione per supportare il framework emergente dei sistemi pervasivi

Principles of Physical Layer Security in Multiuser Wireless Networks: A Survey

This paper provides a comprehensive review of the domain of physical layer security in multiuser wireless networks. The essential premise of physical-layer security is to enable the exchange of confidential messages over a wireless medium in the presence of unauthorized eavesdroppers without relying on higher-layer encryption. This can be achieved primarily in two ways: without the need for a secret key by intelligently designing transmit coding strategies, or by exploiting the wireless communication medium to develop secret keys over public channels. The survey begins with an overview of the foundations dating back to the pioneering work of Shannon and Wyner on information-theoretic security. We then describe the evolution of secure transmission strategies from point-to-point channels to multiple-antenna systems, followed by generalizations to multiuser broadcast, multiple-access, interference, and relay networks. Secret-key generation and establishment protocols based on physical layer mechanisms are subsequently covered. Approaches for secrecy based on channel coding design are then examined, along with a description of inter-disciplinary approaches based on game theory and stochastic geometry. The associated problem of physical-layer message authentication is also introduced briefly. The survey concludes with observations on potential research directions in this area.Comment: 23 pages, 10 figures, 303 refs. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1303.1609 by other authors. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 201

Erasure-correcting vs. erasure-detecting codes for the full-duplex binary erasure relay channel

International audienceIn this paper, the asymptotic iterative performance of block-Markov, sparse-graph codes over the binary erasure relay channel is investigated. Note that the full-duplex relay channel is a particular case of the considered model. We obtain two interesting results: a) the block-Markov structure does not improve the asymptotic performance of good erasure-correcting sparse-graph codes; b) under certain conditions, it does however improve the asymptotic performance of good erasure-detecting (i.e. bad erasure-correcting) sparse-graph codes

Space Shuttle/TDRSS communication and tracking systems analysis

In order to evaluate the technical and operational problem areas and provide a recommendation, the enhancements to the Tracking and Data Delay Satellite System (TDRSS) and Shuttle must be evaluated through simulation and analysis. These enhancement techniques must first be characterized, then modeled mathematically, and finally updated into LinCsim (analytical simulation package). The LinCsim package can then be used as an evaluation tool. Three areas of potential enhancements were identified: shuttle payload accommodations, TDRSS SSA and KSA services, and shuttle tracking system and navigation sensors. Recommendations for each area were discussed

Recent Trends in Communication Networks

In recent years there has been many developments in communication technology. This has greatly enhanced the computing power of small handheld resource-constrained mobile devices. Different generations of communication technology have evolved. This had led to new research for communication of large volumes of data in different transmission media and the design of different communication protocols. Another direction of research concerns the secure and error-free communication between the sender and receiver despite the risk of the presence of an eavesdropper. For the communication requirement of a huge amount of multimedia streaming data, a lot of research has been carried out in the design of proper overlay networks. The book addresses new research techniques that have evolved to handle these challenges