Secure Rate-Splitting Multiple Access Transmissions in LMS Systems

This letter investigates the secure delivery performance of the rate-splitting multiple access scheme in land mobile satellite (LMS) systems, considering that the private messages intended by a terminal can be eavesdropped by any others from the broadcast signals. Specifically, the considered system has an N-antenna satellite and numerous single-antenna land users. Maximum ratio transmission (MRT) and matched-filtering (MF) precoding techniques are adopted at the satellite separately for the common messages (CMs) and for the private messages (PMs), which are both implemented based on the estimated LMS channels suffering from the Shadowed-Rician fading. Then, closed-form expressions are derived for the ergodic rates for decoding the CM, and for decoding the PM at the intended user respectively, and more importantly, we also derive the ergodic secrecy rate against eavesdropping. Finally, numerical results are provided to validate the correctness of the proposed analysis models, as well as to show some interesting comparisons.Comment: 5 pages, 3 figures, 1 tabl

Performance Analysis of Multi-Antenna Hybrid Satellite-Terrestrial Relay Networks in the Presence of Interference

Abstract—The integration of cooperative transmission into satellite networks is regarded as an effective strategy to increase the energy efficiency as well as the coverage of satellite communications. This paper investigates the performance of an amplifyand-forward (AF) hybrid satellite-terrestrial relay network (HSTRN), where the links of the two hops undergo Shadowed- Rician andRayleigh fadingdistributions, respectively.By assuming that a single antenna relay is used to assist the signal transmission between the multi-antenna satellite and multi-antenna mobile terminal, and multiple interferers corrupt both the relay and destination, we first obtain the equivalent end-to-end signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) of the system. Then, an approximate yet very accurate closed-form expression for the ergodic capacity of the HSTRN is derived. The analytical lower bound expressions are also obtained to efficiently evaluate the outage probability (OP) and average symbol error rate (ASER) of the system. Furthermore, the asymptotic OP and ASER expressions are developed at high signal-to-noise ratio (SNR) to reveal the achievable diversity order and array gain of the considered HSTRN. Finally, simulation results are provided to validate of the analytical results, and show the impact of various parameters on the system performance

On the secrecy performance of land mobile satellite communication systems

In this paper, we investigate the secrecy performance against eavesdropping of a land mobile satellite (LMS) system, where the satellite employs the spot beam technique, and both the terrestrial user and eavesdropper are equipped with multiple antennas and utilize maximal ratio combining (MRC) to receive the confidential message. Specifically, in terms of the availability of the eavesdropper’s CSI at the satellite, we consider both passive (Scenario I) and active (Scenario II) eavesdropping. For Scenario I where the eavesdropper’s channel state information (CSI) is unknown to the satellite, closed-form expressions for the probability of non-zero secrecy capacity and secrecy outage probability are derived. Furthermore, expressions for the asymptotic secrecy outage probability are also presented to reveal the secrecy diversity order and array gain of the considered system. For Scenario II where the eavesdropper’s CSI is available at the satellite, novel expressions for the exact and asymptotic average secrecy capacity are obtained. Based on a simple asymptotic formula, we can characterize the high signalto- noise ratio (SNR) slope and high SNR power offset of the LMS systems. Finally, simulations are provided to validate our theoretical analysis and show the effect of different parameters on the system performance

Hybrid satellite–terrestrial networks toward 6G : key technologies and open issues

Future wireless networks will be required to provide more wireless services at higher data rates and with global coverage. However, existing homogeneous wireless networks, such as cellular and satellite networks, may not be able to meet such requirements individually, especially in remote terrain, including seas and mountains. One possible solution is to use diversified wireless networks that can exploit the inter-connectivity between satellites, aerial base stations (BSs), and terrestrial BSs over inter-connected space, ground, and aerial networks. Hence, enabling wireless communication in one integrated network has attracted both the industry and the research fraternities. In this work, we provide a comprehensive survey of the most recent work on hybrid satellite–terrestrial networks (HSTNs), focusing on system architecture, performance analysis, design optimization, and secure communication schemes for different cooperative and cognitive HSTN network architectures. Different key technologies are compared. Based on this comparison, several open issues for future research are discussed

Error vector magnitude analysis of fading SIMO channels relying on MRC reception

We analytically characterize the data-aided Error Vector Magnitude (EVM) performance of a Single Input Multiple Output (SIMO) communication system relying on Maximal Ratio Combining (MRC) having either independent or correlated branches that are non-identically distributed. In particular, exact closed form expressions are derived for the EVM in -? fading and -? shadowed fading channels and these expressions are validated by simulations. The derived expressions are expressed in terms of Lauricella’s function of the fourth kind F(N) D (.), which can be easily computed. Furthermore, we have simplified the derived expressions for various special cases such as independent and identically distributed branches, Rayleigh fading, Nakagamim fading and -? fading. Additionally, a parametric study of the EVM performance of the wireless system is presented

Downlink Analysis and Evaluation of Multi-Beam LEO Satellite Communication in Shadowed Rician Channels

The extension of wide area wireless connectivity to low-earth orbit (LEO) satellite communication systems demands a fresh look at the effects of in-orbit base stations, sky-to-ground propagation, and cell planning. A multi-beam LEO satellite delivers widespread coverage by forming multiple spot beams that tessellate cells over a given region on the surface of the Earth. In doing so, overlapping spot beams introduce interference when delivering downlink concurrently in the same area using the same frequency spectrum. To permit forecasting of communication system performance, we characterize desired and interference signal powers, along with SNR, INR, SIR, and SINR, under the measurement-backed Shadowed Rician (SR) sky-to-ground channel model. We introduce a minor approximation to the fading order of SR channels that greatly simplifies the PDF and CDF of these quantities and facilitates statistical analyses of LEO satellite systems such as probability of outage. We conclude this paper with an evaluation of multi-beam LEO satellite communication in SR channels of varying intensity fitted from existing measurements. Our numerical results highlight the effects satellite elevation angle has on SNR, INR, and SINR, which brings attention to the variability in system state and potential performance as a satellite traverses across the sky along its orbit

Performance of SC-FDMA with diversity techniques over land mobile satellite channel

La demanda de la alta velocidad de datos resulta en una importante interferencia entre símbolos para los sistemas monoportadora en canales de ancho de banda y potencia limitada. Superar la selectividad en el tiempo y la frecuencia del canal de propagación requiere el uso de potentes técnicas de procesamiento de señales. Ejemplos recientes incluyen el uso de múltiples antenas en el transmisor / receptor, en la técnica conocida como Multiple-Input Multiple-Output (MIMO). En ciertos entornos (tales como el enlace ascendente de un enlace móvil) por lo general sólo una antena está disponible en la transmisión. Por lo tanto, sólo esquemas con entrada individual y salida única (Single Input Single Output, SISO) o transmisiones con entrada única y múltiples salidas (Single Input Multiple Output, SIMO) son factibles. La multiplexación por división ortogonal en frecuencia (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM) es una técnica de modulación ampliamente utilizada por su robustez frente a la selectividad en frecuencia de los canales, su escalabilidad y su compatibilidad con MIMO. Sin embargo, sufre de una alta relación de potencia de pico a promedio (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) que necesita amplificadores de alta potencia muy lineales, lo que resulta costoso energéticamente para la transmisión. La técnica monoportadora con acceso múltiple por división de frecuencia (Single Carrier Frequency-Division Multiple Access , SC-FDMA) se ha convertido en una alternativa a la técnica de OFDM que se utiliza específicamente en el enlace ascendente de LTE. SC-FDMA es capaz de reducir la PAPR en la transmisión, dando lugar a una relajación de las limitaciones en cuanto a la eficiencia de potencia necesaria en los terminales de usuario y las unidades satélite. SC-FDMA puede ser descrito como una versión de OFDMA en el que se incluyen una etapa de pre-codificación y de pre-codificación inversa en el transmisor y el receptor respectivamente. Así, los símbolos se transmiten en tiempo, pero después de ser procesados en la frecuencia. Incluso con el uso de OFDMA o SC-FDMA, la ISI tiene que ser compensada por la igualación, que normalmente se realiza en el dominio de frecuencia. El objetivo de esta tesis es proporcionar un análisis matemático del comportamiento de SC-FDMA en un canal móvil terrestre por satélite (Land Mobile Satellite, LMS). Para este propósito, el canal se modela como un canal Rice sombreado tal que la línea de visión (Line of Sight, LOS) sigue la distribución de Nakagami. En primer lugar, se describen las técnicas de modulación multiportadora OFDMA y SC-FDMA. A continuación, se lleva a cabo un análisis de OFDMA y SC-FDMA basado en el ruido complejo recibido a la entrada del detector. Se evalúa la probabilidad de error de bit (Bit Error Rate, BER) de SC-FDMA para diferentes profundidades del desvanecimiento y de la diversidad de antena en el receptor. También se evalúa la eficiencia espectral de SC-FDMA para el canal LMS. Por último, se abordan las técnicas de diversidad y se evalúan las técnicas conocidas como Maximal Ratio Combining (MRC) y Equal Gain Combining (EGC)

Non-Orthogonal Multiple Access schemes for Next Generation Cellular Networks: System Model and Performance Consideration

The dissertation deals with next generation cellular networks, especially in regard to the integration of wireless networks which apply non-orthogonal multiple access (NOMA) and other advanced techniques such as multi-antennae, radio frequency energy harvesting (EH), physical layer security (PLS) and satellite communication. Firstly, the dissertation investigates a multi-antenna transmission model to enhance the performance of communications. A novel model of power distribution to NOMA users, who joined both direct link and relay link, is designed to improve transmission quality. Further, we deploy the power beacon, which is able to feed energy to power-constraint relay node to further support transmission to destinations. Secondly, the dissertation studies the secrecy performance of a PLS in cognitive radio (CR)-NOMA networks. The multi-input single-output (MISO) architecture combining transmit antenna selection (TAS) strategy is considered to achieve secure performance analysis such as the secrecy outage probability (SOP). Further, optimal power allocation (PA) factor can be obtained to optimize SOP performance. Since the presence of an illegitimate user, we improve the SOP by adopting relay selection (RS) combining decode-and-forward (DF) with full-duplex (FD)relaying. Finally, as the strongest contribution of the dissertation, an application of the NOMA technique, which improves the spectral efficiency, in satellite networks is introduced. Satellite communication systems integrate with emerging small-cell networks to provide seamless connectivity and high-speed broadband access for mobile users in future wireless networks. In the dissertation, we study a hybrid satellite-terrestrial relay system (HSTRS). To characterizing the HSTRS-assisted small-cell network, Shadowed-Rician fading for satellite links and Nakagami-m fading for terrestrial links are adopted.Disertační práce se zabývá buňkovými sítěmi příští generace, zejména s ohledem na integraci bezdrátových sítí, které používají neortogonální vícenásobný přístup (NOMA) a další pokročilé techniky, jako jsou víceanténové systémy, získávání energie z elektromagnetického záření (EH), zabezpečení fyzické vrstvy (PLS) a satelitní komunikace. Disertační práce nejprve zkoumá model komunikace s více anténami s cílem dosáhnout vyšší efektivity přenosu. Nový model distribuce energie uživatelům NOMA, kteří se připojili přímým spojem anebo zprostředkovaně (přes realy uzel), je navržen tak, aby zlepšil kvalitu přenosu. Dále je v modelu navržen výkonový maják, který je schopen dodávat energii do relay uzlu, aby podpořil přenos k příjemcům. Za druhé, disertační práce studuje výkonnost PLS v sítích kognitivního rádia (CR)-NOMA. V návrhu je uvažována architektura více vstupů s jedním výstupem (MISO) kombinující strategii výběru vysílací antény (TAS), přičemž úroveň zabezpečení je zkoumána metrikou pravděpodobnosti výpadku utajení (SOP). Dále lze pro optimalizaci výkonu SOP získat faktor optimálního přidělování energie (PA). Vzhledem k předpokládané přítomnosti nelegitimního uživatele vylepšujeme SOP pomocí výběru relay uzlu (RS) kombinující režimy dekóduj a přepošli (DF) s plně duplexním (FD) přenosem. A konečně, jako nejsilnější přínos disertační práce, je představena aplikace techniky vícenásobného přístupu NOMA v satelitních sítích, která vylepšuje spektrální účinnost. Satelitní komunikační systémy se integrují s nově vznikajícími buňkovými sítěmi malého dosahu. Zajišťují bezproblémové připojení a vysokorychlostní širokopásmový přístup pro mobilní uživatele v budoucích bezdrátových sítích. V disertační práci studujeme hybridní satelitně-terestrický relay systém (HSTRS). K popisu sítě malých buněk s asistencí HSTRS je v případě satelitní komunikace použit útlumový model "Shadowed-Rician" a v případě terestrické pak "Nakagami-m."440 - Katedra telekomunikační technikyvyhově

Komunikace na milimetrových vlnách v 5G a dalších sítích: Nové systémové modely a analýza výkonnosti

The dissertation investigates different network models, focusing on three important features for next generation cellular networks with respect to millimeter waves (mmWave) communications: the impact of fading and co-channel interference (CCI), energy efficiency, and spectrum efficiency. To address the first aim, the dissertation contains a study of a non-orthogonal multiple access (NOMA) technique in a multi-hop relay network which uses relays that harvest energy from power beacons (PB). This part derives the exact throughput expressions for NOMA and provides a performance analysis of three different NOMA schemes to determine the optimal parameters for the proposed system’s throughput. A self-learning clustering protocol (SLCP) in which a node learns its neighbor’s information is also proposed for determining the node density and the residual energy used to cluster head (CH) selection and improve energy efficiency, thereby prolonging sensor network lifetime and gaining higher throughput. Second, NOMA provides many opportunities for massive connectivity at lower latencies, but it may also cause co-channel interference by reusing frequencies. CCI and fading play a major role in deciding the quality of the received signal. The dissertation takes into account the presence of η and µ fading channels in a network using NOMA. The closed-form expressions of outage probability (OP) and throughput were derived with perfect successive interference cancellation (SIC) and imperfect SIC. The dissertation also addresses the integration of NOMA into a satellite communications network and evaluates its system performance under the effects of imperfect channel state information (CSI) and CCI. Finally, the dissertation presents a new model for a NOMA-based hybrid satellite-terrestrial relay network (HSTRN) using mmWave communications. The satellite deploys the NOMA scheme, whereas the ground relays are equipped with multiple antennas and employ the amplify and forward (AF) protocol. The rain attenuation coefficient is considered as the fading factor of the mmWave band to choose the best relay, and the widely applied hybrid shadowed-Rician and Nakagami-m channels characterize the transmission environment of HSTRN. The closed-form formulas for OP and ergodic capacity (EC) were derived to evaluate the system performance of the proposed model and then verified with Monte Carlo simulations.Dizertační práce zkoumala různé modely sítí a zaměřila se na tři důležité vlastnosti pro buňkové sítě příští generace s ohledem na mmW komunikace, kterými jsou: vliv útlumu a mezikanálového rušení (CCI), energetická účinnost a účinnost spektra. Co se týče prvního cíle, dizertace obsahuje studii techniky neortogonálního vícenásobného přístupu (NOMA) v bezdrátové multiskokové relay síti využívající získávání energie, kde relay uzly sbírají energii z energetických majáků (PB). Tato část přináší přesné výrazy propustnosti pro NOMA a analýzu výkonnosti se třemi různými schématy NOMA s cílem určit optimální parametry pro propustnost navrženého systému. Dále byl navržen samoučící se shlukovací protokol (SLCP), ve kterém se uzel učí informace o sousedech, aby určil hustotu uzlů a zbytkovou energii použitou k výběru hlavy shluku CH pro zlepšení energetické účinnosti, čímž může prodloužit životnost sensorové sítě a zvýšit propustnost. Za druhé, přístup NOMA poskytl mnoho příležitostí pro masivní připojení s nižší latencí, NOMA však může způsobovat mezikanálové rušení v důsledku opětovného využívání kmitočtů. CCI a útlum hrají klíčovou roli při rozhodování o kvalitě přijímaného signálu. V této dizertace je brána v úvahu přítomnost η a µ útlumových kanálů v síti užívající NOMA. Odvozeny jsou výrazy v uzavřené formě pro pravděpodobnost výpadku (OP) a propustnost s dokonalým postupným rušením rušení (SIC) a nedokonalým SIC. Dále se dizertace zabývá integrací přístupu NOMA do satelitní komunikační sítě a vyhodnocuje výkonnost systému při dopadech nedokonalé informace o stavu kanálu (CSI) a CCI. Závěrem disertační práce představuje nový model pro hybridní družicově-terestriální přenosovou síť (HSTRN) založenou na NOMA vícenásobném přístupu využívající mmWave komunikaci. Satelit využívá NOMA schéma, zatímco pozemní relay uzly jsou vybaveny více anténami a aplikují protokol zesilování a předávání (AF). Je zaveden srážkový koeficient, který je uvažován jako útlumový faktor mmWave pásma při výběru nejlepšího relay uzlu. Samotné přenosové prostředí HSTRN je charakterizováno pomocí hybridních Rician a Nakagami-m kanálů. Vztahy pro vyhodnocení výkonnosti systému navrženého modelu vyjadřující ergodickou kapacitu (EC) a pravděpodobnost ztrát (OP) byly odvozeny v uzavřené formě a následně ověřeny pomocí simulační numerické metody Monte Carlo.440 - Katedra telekomunikační technikyvyhově