38,054 research outputs found

    Securing NextG networks with physical-layer key generation: A survey

    Get PDF
    As the development of next-generation (NextG) communication networks continues, tremendous devices are accessing the network and the amount of information is exploding. However, with the increase of sensitive data that requires confidentiality to be transmitted and stored in the network, wireless network security risks are further amplified. Physical-layer key generation (PKG) has received extensive attention in security research due to its solid information-theoretic security proof, ease of implementation, and low cost. Nevertheless, the applications of PKG in the NextG networks are still in the preliminary exploration stage. Therefore, we survey existing research and discuss (1) the performance advantages of PKG compared to cryptography schemes, (2) the principles and processes of PKG, as well as research progresses in previous network environments, and (3) new application scenarios and development potential for PKG in NextG communication networks, particularly analyzing the effect and prospects of PKG in massive multiple-input multiple-output (MIMO), reconfigurable intelligent surfaces (RISs), artificial intelligence (AI) enabled networks, integrated space-air-ground network, and quantum communication. Moreover, we summarize open issues and provide new insights into the development trends of PKG in NextG networks

    Recursive LMMSE-Based Iterative Soft Interference Cancellation for MIMO Systems to Save Computations and Memories

    Full text link
    Firstly, a reordered description is given for the linear minimum mean square error (LMMSE)-based iterative soft interference cancellation (ISIC) detection process for Mutipleinput multiple-output (MIMO) wireless communication systems, which is based on the equivalent channel matrix. Then the above reordered description is applied to compare the detection process for LMMSE-ISIC with that for the hard decision (HD)-based ordered successive interference cancellation (OSIC) scheme, to draw the conclusion that the former is the extension of the latter. Finally, the recursive scheme for HD-OSIC with reduced complexity and memory saving is extended to propose the recursive scheme for LMMSE-ISIC, where the required computations and memories are reduced by computing the filtering bias and the estimate from the Hermitian inverse matrix and the symbol estimate vector, and updating the Hermitian inverse matrix and the symbol estimate vector efficiently. Assume N transmitters and M (no less than N) receivers in the MIMO system. Compared to the existing low-complexity LMMSE-ISIC scheme, the proposed recursive LMMSE-ISIC scheme requires no more than 1/6 computations and no more than 1/5 memory units

    On Capacity Optimality of OAMP: Beyond IID Sensing Matrices and Gaussian Signaling

    Full text link
    This paper investigates a large unitarily invariant system (LUIS) involving a unitarily invariant sensing matrix, an arbitrarily fixed signal distribution, and forward error control (FEC) coding. A universal Gram-Schmidt orthogonalization is considered for the construction of orthogonal approximate message passing (OAMP), which renders the results applicable to general prototypes without the differentiability restriction. For OAMP with Lipschitz continuous local estimators, we develop two variational single-input-single-output transfer functions, based on which we analyze the achievable rate of OAMP. Furthermore, when the state evolution of OAMP has a unique fixed point, we reveal that OAMP reaches the constrained capacity predicted by the replica method of the LUIS with an arbitrary signal distribution based on matched FEC coding. The replica method is rigorous for LUIS with Gaussian signaling and for certain sub-classes of LUIS with arbitrary signal distributions. Several area properties are established based on the variational transfer functions of OAMP. Meanwhile, we elaborate a replica constrained capacity-achieving coding principle for LUIS, based on which irregular low-density parity-check (LDPC) codes are optimized for binary signaling in the simulation results. We show that OAMP with the optimized codes has significant performance improvement over the un-optimized ones and the well-known Turbo linear MMSE algorithm. For quadrature phase-shift keying (QPSK) modulation, replica constrained capacity-approaching bit error rate (BER) performances are observed under various channel conditions.Comment: Single column, 34 pages, 9 figure

    Antenna Selection With Beam Squint Compensation for Integrated Sensing and Communications

    Full text link
    Next-generation wireless networks strive for higher communication rates, ultra-low latency, seamless connectivity, and high-resolution sensing capabilities. To meet these demands, terahertz (THz)-band signal processing is envisioned as a key technology offering wide bandwidth and sub-millimeter wavelength. Furthermore, THz integrated sensing and communications (ISAC) paradigm has emerged jointly access spectrum and reduced hardware costs through a unified platform. To address the challenges in THz propagation, THz-ISAC systems employ extremely large antenna arrays to improve the beamforming gain for communications with high data rates and sensing with high resolution. However, the cost and power consumption of implementing fully digital beamformers are prohibitive. While hybrid analog/digital beamforming can be a potential solution, the use of subcarrier-independent analog beamformers leads to the beam-squint phenomenon where different subcarriers observe distinct directions because of adopting the same analog beamformer across all subcarriers. In this paper, we develop a sparse array architecture for THz-ISAC with hybrid beamforming to provide a cost-effective solution. We analyze the antenna selection problem under beam-squint influence and introduce a manifold optimization approach for hybrid beamforming design. To reduce computational and memory costs, we propose novel algorithms leveraging grouped subarrays, quantized performance metrics, and sequential optimization. These approaches yield a significant reduction in the number of possible subarray configurations, which enables us to devise a neural network with classification model to accurately perform antenna selection.Comment: 14pages10figures, submitted to IEE

    Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

    Get PDF
    A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium

    Multi-agent algorithms for adaptation of underwater acoustic communication parameters

    No full text
    In this work I studied the problem of adaptation of the communication parameters for orthogonal frequency-division multiplexing communication schemes through a constrained distributed convex-optimization with asyn- chronous computation and lossy communication. The algorithm implemented was the so called robust-asynchronous Newton-Raphson Consensus while the constraints were added using an interior point method with logarithmic bar- riers. Two other algorithms such as Gradient Descent and Jacobi Descent were also tested in the work and compared to the main one. Regarding the cost function, I proposed a maximization of the throughput per OFDM packet without having the packet loss ratio exceed a predefined threshold, to improve the performance of the communication for the whole network of agents while automatically adjusting the channel’s parameters along with possible different sea environmental conditions. Numerical simulations shows the results obtained and the performance that this solution can provide to the acoustic communication schemes

    Multi-sinusoidal waveform shaping for integrated data and energy transfer in aging channels

    Get PDF
    Integrated data and energy transfer (IDET) is capable of simultaneously delivering on-demand data and energy to low-power Internet of Everything (IoE) devices. We propose a multi-carrier IDET transceiver relying on superposition waveforms consisting of multi-sinusoidal signals for wireless energy transfer (WET) and orthogonal-frequency-division-multiplexing (OFDM) signals for wireless data transfer (WDT). The outdated channel state information (CSI) in aging channels is employed by the transmitter to shape IDET waveforms. With the constraints of transmission power and WDT requirement, the amplitudes and phases of the IDET waveform at the transmitter and the power splitter at the receiver are jointly optimised for maximising the average direct-current (DC) among a limited number of transmission frames with the existence of carrier-frequency-offset (CFO). For the amplitude optimisation, the original non-convex problem can be transformed into a reversed geometric programming problem, then it can be effectively solved with existing tools. As for the phase optimisation, the artificial bee colony (ABC) algorithm is invoked in order to deal with the non-convexity. Iteration between the amplitude optimisation and phase optimisation yields our joint design. Numerical results demonstrate the advantage of our joint design for the IDET waveform shaping with the existence of the CFO and the outdated CSI

    Підвищення продуктивності низькоенергетичних безпроводових каналів зв’язку сенсорних телекомунікаційних систем

    Get PDF
    Шмігель Б. О. Підвищення продуктивності низькоенергетичних безпроводових каналів зв’язку сенсорних телекомунікаційних систем. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 – Телекомунікації та радіотехніка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2022. В сучасному світі, життя людини нерозривно пов’язане з обміном інформацією. Надзвичайно швидкими темпами зростають і вимоги користувачів до якості, швидкості і безпеки прийому та передачі даних, зберігаючи при цьому можливість вільного пересування. Задовольняти ці потреби – власне і є ціллю безпроводових мереж. Сенсорні мережі займають ключову роль у разі необхідності оперативного розгортання, мобільності, гнучкості організації мережі і широті можливих додатків, у багатьох випадках будучи єдиним економічно виправданим рішенням. Однією із ключових задач забезпечення функціонування сенсорної мережі є забезпечення надійного та продуктивного передавання інформації в умовах обмежених ресурсів, зокрема, енергетичних. Враховуючи розмір сенсора, основною вимогою до сенсорних мереж – є забезпечення низького енергоспоживання та достовірного прийому. Автономність роботи залежить від енергії, що споживається вузлами системи. Для досягнення достовірного зв’язку, мають місце наступні компоненти: - достатня енергетика (обмежена для сенсорних мереж) - мала швидкість передачі (обмежена вимогами до сенсорних мереж) - інструменти для підтримання достовірності (завадостійке кодування) Під низькою енергетикою будемо вважати відношення сигнал-шум h 2 <10. Параметр h 2 є результатом взаємодії трьох незалежних параметрів: - потужністю сигналу в точці прийому - спектральної щільності шуму - швидкості передачі символів Продуктивність – це фактична швидкість передачі інформації джерела. Ключ до вирішення задачі отримання максимальної продуктивності лежить у площині теорії інформації, засновником якої є К. Шеннон. Інструментом досягнення максимальної продуктивності, як міри наближення швидкості передачі повідомлень джерела до границі Шеннона є вибір оптимальних сигнально-кодових конструкцій, які дозволяють передавати повідомлення з максимально можливою швидкістю і заданою якістю. Міра наближення продуктивності каналу зв’язку до його пропускної здатності характеризує інформаційну ефективність системи передачі інформації. Метою роботи є синтез сигналів, що максимально наближають продуктивність каналу зв’язку до пропускної здатності при обмежених ресурсах каналу. У роботі досліджена актуальна задача підвищення продуктивності низькоенергетичних безпроводових каналів зв’язку. На відміну від традиційних систем безпроводового зв’язку, сенсорна мережа включає велику кількість пристроїв, які повинні передавати інформацію до базової станції. Сенсорні вузли можуть встановлюватися стаціонарно або мати можливість довільно пересуватися в певному просторі, тому вони повинні бути автономними, самоорганізованими та не потребують установки. Область покриття такої мережі вкрай обмежена і може досягати десятки та сотні метрів. Тому однією з головних умов до такої мережі – це забезпечення мінімального енергоспоживання та достовірного прийому в умовах низької енергетики. Основною задачею при побудови сенсорної мережі є достовірна оцінка енергетичних характеристик безпроводового каналу зв’язку. Виходячи із вищесказаного, для розгортання сенсорних мереж актуальним питанням є ефективне проектування сенсорної мережі: необхідна кількість пристроїв, їх характеристики, розміщення, енергетичні характеристики каналів, траси розповсюдження, тощо. Для вирішення обмежень ресурсу каналу зв’язку, перспективним являється пошук нових методів передачі інформації, вибору ефективного виду модуляції та завадостійкого кодування. Основним інструментом для передачі інформації є сигнали багатопозиційної маніпуляції. Вибір поєднання типу модуляції і швидкості завадостійкого коду, забезпечує максимально можливу ефективність, забезпечуючи відповідну надійність каналу зв’язку. В якості розглянутих сигналів обрано сигнали багатопозиційної маніпуляції BPSK, QPSK, QAM16. Високошвидкісні види модуляції не розглядаються, так як сенсорна мережа не передбачує передачу великих масивів інформації, а також має обмежену енергію сигналу. Широкосмугові сигнали є одним з відомих методів для підвищення завадостійкості каналу, але властивості таких сигналів в умовах обмеженого ресурсу та енергії сигналу не досліджені. Для визначення найбільш оптимального способу передачі сигналів в умовах низької енергетики, проведено дослідження властивостей ШСС на основі моделей оцінки якості каналів зв’язку, а також порівняння характеристики завадостійкості з ВСС та еквівалентною енергією сигналу. Для визначення максимальної продуктивності передачі в безпроводових низькоенергетичних каналах зв’язку, необхідно дослідити показники продуктивності використання сигналів заданого виду модуляції та порівняти їх з широкосмуговими сигналами з різними значеннями бази сигналу B. Виявилося, що широкосмугові сигнали не забезпечують кращої достовірності в порівнянні з вузькосмуговими при однаковій потужності випромінювання та способі обробки. Класичні формули для оцінки завадостійкості багатопозиційних сигналів достовірні для високої енергетики, однак для h 2 - 0 не є точними. Тому для точного визначення точної достовірності прийому для таких умов, пропонується використання векторно-фазового методу. Векторно-фазовий метод дозволяє отримати точні розрахунки при будь-якій енергетиці, на відміну від формул Прокіса, що можуть використовуватись тільки для високої енергетики. Загальним підсумком дослідження є оцінка продуктивності СКК, яка дозволяє в каналі з заданими частотно-енергетичними параметрами визначити ефективність використання визначеного виду модуляції та кодування за критерієм наближення до границі Шеннона, або максимуму інформаційної ефективності при заданій достовірності сигналу в точці прийому. Методика дозволяє оцінити ефективність використання ресурсів каналів зв’язку з багатопозиційною маніпуляцією та завадостійким кодуванням, а також кількісно оцінити витрати на реалізацію заходів щодо підвищення достовірності або продуктивності у вимірі запропонованих показників. Дослідження питань підвищення продуктивності низькоенергетичних безпроводових каналів зв’язку забезпечить побудову сенсорних телекомунікаційних систем для успішного виконання поставлених завдань. Новими в дисертації є наступні результати: 1. Вдосконалено використання векторно-фазового методу для визначення завадостійкості багатопозиційних сигналів в умовах низької енергетики. Класичні формули Прокіса не є точними для низької енергетики. 2. Вдосконалено методику синтезу сигналу, яка дозволяє знайти екстремум продуктивності каналу зв’язку та наблизити до його пропускної здатності – границі Шеннона. 3. Вдосконалено методику оцінки ефективності використання ресурсів каналу зв’язку.Shmihel B. Increasing the performance of low-power wireless communication channels of sensor telecommunication systems – Scientific qualification work on the rights of the manuscript. Dissertation for the Doctor of Philosophy degree in technical sciences, specialty 172 - Telecommunications and radio engineering. – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2022. In the modern world, human life is inextricably connected with the exchange of information. User requirements for the quality, speed, and security of receiving and transmitting data are also growing extremely fast while maintaining the possibility of mobility. Satisfying these needs is the purpose of wireless networks. Sensor networks play a key role in the need for rapid deployment, mobility, networking flexibility and a variety of possible applications, in many cases being the only cost-effective solution. One of the key tasks of functioning in the sensor network is to ensure reliable and efficient data transmission in conditions of limited resources. Given the size of the sensor, the main requirement for sensor networks is to provide low power consumption and reliable reception. Their autonomy depends on the energy consumed by the nodes of the system. To achieve the necessary reliability, the following components take place: - sufficient energy (limited for sensor networks) - low transmission rate (limited by requirements for sensor networks) - tools for maintaining reliability (noise-correcting coding) By low energy, we will consider the signal-to-noise ratio h 2 <10. Parameter h 2 is the result of the interaction of three independent parameters: - signal strength at the receiving point - noise spectral density - symbol rate Performance is the actual speed of information transfer of the source. The key to solving the problem of obtaining maximum performance lies in the plane of the theory of information, founded by K. Shannon. The tool for achieving maximum performance, as the approach of the channel performance to its bandwidth, is the choice of optimal signal-code constructions that allow messages to be transmitted at the highest possible speed and with a given quality. The approach of the channel performance to its bandwidth characterizes the information efficiency of the information transmission system. The research aims to synthesize signals that bring the channel performance as close as possible to the throughput with limited channel resources. The research contains the actual problem of increasing productivity in lowenergy wireless communication channels. Unlike traditional wireless communication systems, a sensor network includes many devices that should transmit information to a base station. Sensor nodes can be placed permanently or be able to move in a certain space, so they must be autonomous, self-organized and do not require installation. The coverage area of such a network is extremely limited and can reach tens and hundreds of meters. The main task in building a sensor network is a reliable assessment of the energy characteristics of a wireless communication channel. Based on the foregoing, for the deployment of sensor networks, an important issue is the effective design of a sensor network: the required number of devices, their characteristics, placement, energy characteristics of channels, propagation paths, etc. To solve the limitations of the communication channel, it is promising to search for new methods for transmitting information, choosing an effective type of modulation and error-correcting coding. The basic tool for transmitting information is the signals of multi-position modulation. The choice of a combination of modulation type and error code rate provides the highest possible efficiency while providing adequate reliability to the communication channel. The multi-position modulation signals BPSK, QPSK and QAM16 were chosen as the considered signals. High-speed modulation types are not considered, since the sensor network does not involve the transmission of large amounts of information and has limited signal energy. Broadband signals are one of the well-known methods for improving the noise immunity of a channel, but the properties of such signals under conditions of limited resources and signal energy have not been studied. To determine the most optimal method of signal transmission in low energy conditions, research on the properties of the narrowband signals was carried out based on models for assessing the quality of communication channels and comparing the noise immunity characteristic of wideband signals with equivalent signal energy. To determine the maximum transmission performance in wireless low-energy communication channels, it is necessary to investigate the performance indicators of a given type of modulation signals and compare them with wideband signals with different values of the signal base B. It turned out that wideband signals do not provide better reliability compared to narrowband signals with the same transmission power and processing method. The classical formulas for estimating the noise immunity of multi-position signals are accurate for high energy, but for h2 - 0 they are not accurate. Therefore, to determine the exact reliability for such conditions, it is proposed to use the vectorphase method. The vector-phase method helps to obtain accurate calculations for any energy, in contrast to the Prokis formulas, which can only be used for high energy. The overall result of the research is performance evaluation of signal-code construction, that allows determining the efficiency of using a certain type of modulation and coding in a channel with given frequency and energy parameters according to the criterion of maximum approach to the Shannon bound, or the maximum of information efficiency for given signal reliability. Using this technique, it possible to evaluate the efficiency of using the resources of communication channels with multi-position modulation and error-correcting coding and calculate the costs of implementing measures to improve the reliability or performance of the proposed indicators. Research on improving the performance of low-energy wireless communication channels will help to build sensor telecommunication systems for the successful completion of tasks. Research contains the following new results: 1. The use of the vector-phase method for determining the noise immunity of multi-position signals under low energy conditions has been improved. The classic Prokis formulas are not accurate for low energy. 2. The method of signal synthesis has been improved, which makes it is possible to find the extremum of the communication channel performance and bring it closer to its capacity – the Shannon bounds. 3. The methodology for evaluating the effectiveness of the communication channel resources has been improved

    Sensing User's Activity, Channel, and Location with Near-Field Extra-Large-Scale MIMO

    Full text link
    This paper proposes a grant-free massive access scheme based on the millimeter wave (mmWave) extra-large-scale multiple-input multiple-output (XL-MIMO) to support massive Internet-of-Things (IoT) devices with low latency, high data rate, and high localization accuracy in the upcoming sixth-generation (6G) networks. The XL-MIMO consists of multiple antenna subarrays that are widely spaced over the service area to ensure line-of-sight (LoS) transmissions. First, we establish the XL-MIMO-based massive access model considering the near-field spatial non-stationary (SNS) property. Then, by exploiting the block sparsity of subarrays and the SNS property, we propose a structured block orthogonal matching pursuit algorithm for efficient active user detection (AUD) and channel estimation (CE). Furthermore, different sensing matrices are applied in different pilot subcarriers for exploiting the diversity gains. Additionally, a multi-subarray collaborative localization algorithm is designed for localization. In particular, the angle of arrival (AoA) and time difference of arrival (TDoA) of the LoS links between active users and related subarrays are extracted from the estimated XL-MIMO channels, and then the coordinates of active users are acquired by jointly utilizing the AoAs and TDoAs. Simulation results show that the proposed algorithms outperform existing algorithms in terms of AUD and CE performance and can achieve centimeter-level localization accuracy.Comment: Submitted to IEEE Transactions on Communications, Major revision. Codes will be open to all on https://gaozhen16.github.io/ soo