Achieving Secrecy Capacity of the Gaussian Wiretap Channel with Polar Lattices

In this work, an explicit wiretap coding scheme based on polar lattices is proposed to achieve the secrecy capacity of the additive white Gaussian noise (AWGN) wiretap channel. Firstly, polar lattices are used to construct secrecy-good lattices for the mod-$\Lambda_s$ Gaussian wiretap channel. Then we propose an explicit shaping scheme to remove this mod-$\Lambda_s$ front end and extend polar lattices to the genuine Gaussian wiretap channel. The shaping technique is based on the lattice Gaussian distribution, which leads to a binary asymmetric channel at each level for the multilevel lattice codes. By employing the asymmetric polar coding technique, we construct an AWGN-good lattice and a secrecy-good lattice with optimal shaping simultaneously. As a result, the encoding complexity for the sender and the decoding complexity for the legitimate receiver are both O(N logN log(logN)). The proposed scheme is proven to be semantically secure.Comment: Submitted to IEEE Trans. Information Theory, revised. This is the authors' own version of the pape

Transmit and Receive Signal Processing for MIMO Terrestrial Broadcast Systems

[EN] Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology in Digital Terrestrial Television (DTT) networks has the potential to increase the spectral efficiency and improve network coverage to cope with the competition of limited spectrum use (e.g., assignment of digital dividend and spectrum demands of mobile broadband), the appearance of new high data rate services (e.g., ultra-high definition TV - UHDTV), and the ubiquity of the content (e.g., fixed, portable, and mobile). It is widely recognised that MIMO can provide multiple benefits such as additional receive power due to array gain, higher resilience against signal outages due to spatial diversity, and higher data rates due to the spatial multiplexing gain of the MIMO channel. These benefits can be achieved without additional transmit power nor additional bandwidth, but normally come at the expense of a higher system complexity at the transmitter and receiver ends. The final system performance gains due to the use of MIMO directly depend on physical characteristics of the propagation environment such as spatial correlation, antenna orientation, and/or power imbalances experienced at the transmit aerials. Additionally, due to complexity constraints and finite-precision arithmetic at the receivers, it is crucial for the overall system performance to carefully design specific signal processing algorithms. This dissertation focuses on transmit and received signal processing for DTT systems using MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) without feedback channel to the transmitter from the receiver terminals. At the transmitter side, this thesis presents investigations on MIMO precoding in DTT systems to overcome system degradations due to different channel conditions. At the receiver side, the focus is given on design and evaluation of practical MIMO-BICM receivers based on quantized information and its impact in both the in-chip memory size and system performance. These investigations are carried within the standardization process of DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) the handheld evolution of DVB-T2 (Terrestrial - Second Generation), and ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Committee - Third Generation), which incorporate MIMO-BICM as key technology to overcome the Shannon limit of single antenna communications. Nonetheless, this dissertation employs a generic approach in the design, analysis and evaluations, hence, the results and ideas can be applied to other wireless broadcast communication systems using MIMO-BICM.[ES] La tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) en redes de Televisión Digital Terrestre (TDT) tiene el potencial de incrementar la eficiencia espectral y mejorar la cobertura de red para afrontar las demandas de uso del escaso espectro electromagnético (e.g., designación del dividendo digital y la demanda de espectro por parte de las redes de comunicaciones móviles), la aparición de nuevos contenidos de alta tasa de datos (e.g., ultra-high definition TV - UHDTV) y la ubicuidad del contenido (e.g., fijo, portable y móvil). Es ampliamente reconocido que MIMO puede proporcionar múltiples beneficios como: potencia recibida adicional gracias a las ganancias de array, mayor robustez contra desvanecimientos de la señal gracias a la diversidad espacial y mayores tasas de transmisión gracias a la ganancia por multiplexado del canal MIMO. Estos beneficios se pueden conseguir sin incrementar la potencia transmitida ni el ancho de banda, pero normalmente se obtienen a expensas de una mayor complejidad del sistema tanto en el transmisor como en el receptor. Las ganancias de rendimiento finales debido al uso de MIMO dependen directamente de las características físicas del entorno de propagación como: la correlación entre los canales espaciales, la orientación de las antenas y/o los desbalances de potencia sufridos en las antenas transmisoras. Adicionalmente, debido a restricciones en la complejidad y aritmética de precisión finita en los receptores, es fundamental para el rendimiento global del sistema un diseño cuidadoso de algoritmos específicos de procesado de señal. Esta tesis doctoral se centra en el procesado de señal, tanto en el transmisor como en el receptor, para sistemas TDT que implementan MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) sin canal de retorno hacia el transmisor desde los receptores. En el transmisor esta tesis presenta investigaciones en precoding MIMO en sistemas TDT para superar las degradaciones del sistema debidas a diferentes condiciones del canal. En el receptor se presta especial atención al diseño y evaluación de receptores prácticos MIMO-BICM basados en información cuantificada y a su impacto tanto en la memoria del chip como en el rendimiento del sistema. Estas investigaciones se llevan a cabo en el contexto de estandarización de DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld), la evolución portátil de DVB-T2 (Second Generation Terrestrial), y ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Commitee - Third Generation) que incorporan MIMO-BICM como clave tecnológica para superar el límite de Shannon para comunicaciones con una única antena. No obstante, esta tesis doctoral emplea un método genérico tanto para el diseño, análisis y evaluación, por lo que los resultados e ideas pueden ser aplicados a otros sistemas de comunicación inalámbricos que empleen MIMO-BICM.[CA] La tecnologia de múltiples entrades i múltiples eixides (MIMO) en xarxes de Televisió Digital Terrestre (TDT) té el potencial d'incrementar l'eficiència espectral i millorar la cobertura de xarxa per a afrontar les demandes d'ús de l'escàs espectre electromagnètic (e.g., designació del dividend digital i la demanda d'espectre per part de les xarxes de comunicacions mòbils), l'aparició de nous continguts d'alta taxa de dades (e.g., ultra-high deffinition TV - UHDTV) i la ubiqüitat del contingut (e.g., fix, portàtil i mòbil). És àmpliament reconegut que MIMO pot proporcionar múltiples beneficis com: potència rebuda addicional gràcies als guanys de array, major robustesa contra esvaïments del senyal gràcies a la diversitat espacial i majors taxes de transmissió gràcies al guany per multiplexat del canal MIMO. Aquests beneficis es poden aconseguir sense incrementar la potència transmesa ni l'ample de banda, però normalment s'obtenen a costa d'una major complexitat del sistema tant en el transmissor com en el receptor. Els guanys de rendiment finals a causa de l'ús de MIMO depenen directament de les característiques físiques de l'entorn de propagació com: la correlació entre els canals espacials, l'orientació de les antenes, i/o els desequilibris de potència patits en les antenes transmissores. Addicionalment, a causa de restriccions en la complexitat i aritmètica de precisió finita en els receptors, és fonamental per al rendiment global del sistema un disseny acurat d'algorismes específics de processament de senyal. Aquesta tesi doctoral se centra en el processament de senyal tant en el transmissor com en el receptor per a sistemes TDT que implementen MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) sense canal de tornada cap al transmissor des dels receptors. En el transmissor aquesta tesi presenta recerques en precoding MIMO en sistemes TDT per a superar les degradacions del sistema degudes a diferents condicions del canal. En el receptor es presta especial atenció al disseny i avaluació de receptors pràctics MIMO-BICM basats en informació quantificada i al seu impacte tant en la memòria del xip com en el rendiment del sistema. Aquestes recerques es duen a terme en el context d'estandardització de DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld), l'evolució portàtil de DVB-T2 (Second Generation Terrestrial), i ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Commitee - Third Generation) que incorporen MIMO-BICM com a clau tecnològica per a superar el límit de Shannon per a comunicacions amb una única antena. No obstant açò, aquesta tesi doctoral empra un mètode genèric tant per al disseny, anàlisi i avaluació, per la qual cosa els resultats i idees poden ser aplicats a altres sistemes de comunicació sense fils que empren MIMO-BICM.Vargas Paredero, DE. (2016). Transmit and Receive Signal Processing for MIMO Terrestrial Broadcast Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66081TESISPremiad

A Tutorial on Coding Methods for DNA-based Molecular Communications and Storage

Exponential increase of data has motivated advances of data storage technologies. As a promising storage media, DeoxyriboNucleic Acid (DNA) storage provides a much higher data density and superior durability, compared with state-of-the-art media. In this paper, we provide a tutorial on DNA storage and its role in molecular communications. Firstly, we introduce fundamentals of DNA-based molecular communications and storage (MCS), discussing the basic process of performing DNA storage in MCS. Furthermore, we provide tutorials on how conventional coding schemes that are used in wireless communications can be applied to DNA-based MCS, along with numerical results. Finally, promising research directions on DNA-based data storage in molecular communications are introduced and discussed in this paper

5G new radio physical downlink control channel reliability enhancements for multiple transmission-reception-point communications

Non-coherent transmission from multiple transmission-reception-points (TRPs), i.e., base stations, or base station panels to a user equipment (UE) is exploited in 5G New Radio (NR) to improve downlink reliability and cell-edge throughput. Ultra reliable low-latency communications (URLLC) and enhanced Mobile BroadBand (eMBB) are prominent target use-cases for multi-TRP or multi-panel transmissions. In Third-Generation Partnership Project (3GPP) Release 17 specifications, multi-TRP-based transmissions were specified for the physical downlink control channel (PDCCH) specifically to enhance its reliability and robustness. In this work, a comprehensive account of various multi-TRP reliability enhancement schemes applicable for the 5G NR PDCCH, including the ones supported by the 3GPP Release 17 specifications, is provided. The impact of the specifications for each scheme, UE and network complexity and their utility in various use-cases is studied. Their error performances are evaluated via link-level simulations using the evaluation criteria agreed in the 3GPP proceedings. The 3GPP-supported multi-TRP PDCCH repetition schemes, and the additionally proposed PDCCH repetition and diversity schemes are shown to be effective in improving 5G NR PDCCH reliability and combating link blockage in mmWave scenarios. The link-level simulations also provide insights for the implementation of the decoding schemes for the PDCCH enhancements under different channel conditions. Analysis of the performance, complexity and implementation constraints of the proposed PDCCH transmission schemes indicate their suitability to UEs with reduced-capability or stricter memory constraints and flexible network scheduling

Combined Time, Frecuency and Space Diversity in Multimedia Mobile Broadcasting Systems

El uso combinado de diversidad en el dominio temporal, frecuencial y espacial constituye una valiosa herramienta para mejorar la recepción de servicios de difusión móviles. Gracias a la mejora conseguida por las técnicas de diversidad es posible extender la cobertura de los servicios móviles además de reducir la infraestructura de red. La presente tesis investiga el uso de técnicas de diversidad para la provisión de servicios móviles en la familia europea de sistemas de difusión terrestres estandarizada por el prpoyecto DVB (Digital Video Broadcasting). Esto incluye la primera y segunda generación de sistemas DVB-T (Terrestrial), DVB-NGH (Handheld), y DVB-T2 (Terrestrial 2nd generation), así como el sistema de siguiente generación DVB-NGH. No obstante, el estudio llevado a cabo en la tesis es genérico y puede aplicarse a futuras evoluciones de estándares como el japonés ISDB-T o el americano ATSC. Las investigaciones realizadas dentro del contexto de DVB-T, DVB-H y DVBT2 tienen como objetivo la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles en redes terrestres. Esta Convergencia puede facilitar la introducción de servicios móviles de TB debido a la reutilización de espectro, contenido e infraestructura. De acuerdo a los resultados, la incorporación de entrelazado temporal en la capa física para diversidad temporal, y de single-input multiple-output (SIMO) para diversidad espacial, son esenciales para el rendimiento de sistemas móviles de difusión. A pesar de que las técnicas upper later FEC (UL-FEC) pueden propocionar diversidad temporal en sistemas de primera generación como DVB-T y DVB-H, requieren la transmisión de paridad adicional y no son útiles para la recepción estática. El análisis en t�ñerminos de link budjget revela que las técnicas de diversidad noson suficientes para facilitar la provision de servicios móviles en redes DVB-T y DVB-T2 planificadas para recepción fija. Sin embargo, el uso de diversidad en redes planificadas para recepción portableGozálvez Serrano, D. (2012). Combined Time, Frecuency and Space Diversity in Multimedia Mobile Broadcasting Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16273Palanci

Digital VLSI Architectures for Advanced Channel Decoders

Error-correcting codes are strongly adopted in almost every modern digital communication and storage system, such as wireless communications, optical communications, Flash memories, computer hard drives, sensor networks, and deep-space probes. New and emerging applications demand codes with better error-correcting capability. On the other hand, the design and implementation of those high-gain error-correcting codes pose many challenges. They usually involve complex mathematical computations, and mapping them directly to hardware often leads to very high complexity. This work aims to focus on Polar codes, which are a recent class of channel codes with the proven ability to reduce decoding error probability arbitrarily small as the block-length is increased, provided that the code rate is less than the capacity of the channel. This property and the recursive code-construction of this algorithms attracted wide interest from the communications community. Hardware architectures with reduced complexity can efficiently implement a polar codes decoder using either successive cancellation approximation or belief propagation algorithms. The latter offers higher throughput at high signal-to-noise ratio thanks to the inherently parallel decision-making capability of such decoder type. A new analysis on belief propagation scheduling algorithms for polar codes and on interconnection structure of the decoding trellis not covered in literature is also presented. It allowed to achieve an hardware implementation that increase the maximum information throughput under belief propagation decoding while also minimizing the implementation complexity