Application of network coding in satellite broadcast and multiple access channels

Satellite broadcasting and relaying capabilities enable mobile broadcast systems over wide geographical areas, which opens large market possibilities for handheld, vehicular and fixed user terminals. The geostationary (GEO) satellite orbit is highly suited for such applications, as it spares the need for satellite terminals to track the movement of the spacecraft, with important savings in terms of complexity and cost. The large radius of the GEO orbit (more than 40000 km) has two main drawbacks. One is the large free space loss experienced by a signal traveling to or from the satellite, which limits the signal-to-noise ratio (SNR) margins in the link budget with respect to terrestrial systems. The second drawback of the GEO orbit is the large propagation delay (about 250 msec) that limits the use of feedback in both the forward (satellite to satellite terminal) and the reverse (satellite terminal to satellite) link. The limited margin protection causes loss of service availability in environments where there is no direct line of sight to the satellite, such as urban areas. The large propagation delay on its turn, together with the large terminal population size usually served by a GEO satellite, limit the use of feedback, which is at the basis of error-control. In the reverse link, especially in the case of fixed terminals, packet losses are mainly due to collisions, that severely limit the access to satellite services in case a random access scheme is adopted. The need for improvements and further understanding of these setups lead to the development of our work. In this dissertation we study the application of network coding to counteract the above mentioned channel impairments in satellite systems. The idea of using network coding stems from the fact that it allows to efficiently exploit the diversity, either temporal or spatial, present in the system. In the following we outline the original contributions included in each of the chapters of the dissertation. Chapter 3. This chapter deals with channel impairments in the forward link, and specifically with the problem of missing coverage in Urban environments for land mobile satellite (LMS) networks. By applying the Max-flow Min-cut theorem we derive a lower bound on the maximum coverage that can be achieved through cooperation. Inspired by this result, we propose a practical scheme, keeping in mind the compatibility with the DVB-SH standard. We developed a simulator in Matlab/C++ based on the physical layer abstraction and used it to test the performance gain of our scheme with a benchmark relaying scheme that does allow coding at packet level. Chapter 4. The second chapter of contributions is devoted to the information theoretical study of real-time streaming transmissions over fading channels with channel state information at the transmitter only. We introduce this new channel model and propose several transmission schemes, one of which is proved to be asymptotically optimal in terms of throughput. We also provide an upper bound on the achievable throughput for the proposed channel model and compare it numerically with the proposed schemes over a Rayleigh fading channel. Chapter 5. Chapter 5 is devoted to the study of throughput and delay in non-real-time streaming transmission over block fading channels. We derive bounds on the throughput and the delay for this channel and propose different coding techniques based on time-sharing. For each of them we carry out an analytical study of the performance. Finally, we compare numerically the performance of the proposed schemes over a Rayleigh fading channel. Chapter 6. In the last technical chapter we propose a collision resolution method for the return link based on physical layer network coding over extended Galois field (EGF). The proposed scheme extracts information from the colliding signals and achieves important gains with respect to Slotted ALOHA systems as well as with respect to other collision resolution schemes.Una de les característiques mes importants de les plataformes de comunicacions per satèl.lit és la seva capacitat de retransmetre senyals rebuts a un gran número de terminals. Això es fonamental en contextes com la difusió a terminals mòbils o la comunicació entre màquines. Al mateix temps, la disponibilitat d’un canal de retorn permet la creació de sistemes de comunicacions per satèl.lit interactius que, en principi, poden arribar a qualsevol punt del planeta. Els satèl.lits Geoestacionaris son particularment adequats per a complir amb aquesta tasca. Aquest tipus de satèl.lits manté una posició fixa respecte a la Terra, estalviant als terminals terrestres la necessitat de seguir el seu moviment en el cel. Per altra banda, la gran distància que separa la Terra dels satèl.lits Geoestacionaris introdueix grans retrassos en les comunicacions que, afegit al gran número de terminals en servei, limita l’ús de tècniques de retransmissió basades en acknowledgments en cas de pèrdua de paquets. Per tal de sol.lucionar el problema de la pèrdua de paquets, les tècniques més utilitzades son el desplegament de repetidors terrestres, anomenats gap fillers, l’ús de codis de protecció a nivell de paquet i mecanismes proactius de resolució de col.lisions en el canal de retorn. En aquesta tesi s’analitzen i s’estudien sol.lucions a problemes en la comunicació per satèl.lit tant en el canal de baixada com el de pujada. En concret, es consideren tres escenaris diferents. El primer escenari es la transmissió a grans poblacions de terminals mòbils en enorns urbans, que es veuen particularment afectats per la pèrdua de paquets degut a l’obstrucció, per part dels edificis, de la línia de visió amb el satèl.lit. La sol.lució que considerem consisteix en la utilització de la cooperació entre terminals. Una vegada obtinguda una mesura del guany que es pot assolir mitjançant cooperació en un model bàsic de xarxa, a través del teorema Max-flow Min-cut, proposem un esquema de cooperació compatible amb estàndards de comunicació existents. El segon escenari que considerem es la transmissió de vídeo, un tipus de tràfic particularment sensible a la pèrdua de paquets i retards endògens als sistemes de comunicació per satèl.lit. Considerem els casos de transmissió en temps real i en diferit, des de la perspectiva de teoria de la informació, i estudiem diferents tècniques de codificació analítica i numèrica. Un dels resultats principals obtinguts es l’extensió del límit assolible de la capacitat ergòdica del canal en cas que el transmissor rebi les dades de manera gradual, enlloc de rebre-les totes a l’inici de la transmissió. El tercer escenari que considerem es l’accés aleatori al satèl.lit. Desenvolupem un esquema de recuperació dels paquets perduts basat en la codificació de xarxa a nivell físic i en extensions a camps de Galois, amb resultats molt prometedors en termes de rendiment. També estudiem aspectes relacionats amb la implementació pràctica d’aquest esquema

Communication coopérative, codage distribué, réseaux sans fil de relais

With the rapid growth of wireless technologies, devices and mobile applications, the quest of high throughput and omnipresent connectivity in wireless networks increases rapidly as well. It is well known that cooperation increases significantly the spectral efficiency (coding gain) and the reliability (diversity gain) of the transmission between the nodes. The concept of cooperation in wireless relays network is still one of the most active research topics in wireless communication, scientists are still searching for the optimal cooperation strategies that make the possible gains at the maximum. Cooperation results when nodes in a network share their power and/or bandwidth resources to mutually enhance their transmissions and receptions. In wireless relay networks, the relays are special nodes that are used to improve the quality of communication between the source nodes and the destination nodes. In particular, the use of relays guarantees more efficient and reliable networks. In this work, we focus on a special wireless relay network where a set of sources (mobiles) want to communicate their messages to a common destination (base station) with the help of a set of relaysAt the beginning of this work, we focused on the cooperative scheme where the relay, after a fixed portion of time, tries to understand (decode) the source’s messages and forwards helpful signals for the correctly decoded ones. One of the limitations of the previous cooperative scheme is the fixe listening time of the relays, which cannot be adapted to the quality of the instantaneous sources-relays links. To solve this problem we propose a more advanced cooperative scheme where the listening time of each relay can be dynamic and not fixed in advanced. So the relay that has strong links with the sources can start cooperating earlier than the other relays with weak links. Currently, we are investigating other directions of possible improvements, for example, how can we use feedback signals to improve the efficiency of the network.Avec la croissance rapide des appareils et des applications mobiles, les besoins en débit et en connectivité dans les réseaux sans fil augmentent rapidement. Il est prouvé que les communications coopératives peuvent augmenter significativement l’efficacité spectrale et la fiabilité des transmissions entre les nœuds extrémaux. Le concept de coopération dans un réseau sans fil compte parmi les sujets de recherche les plus actifs en télécommunications, le but étant d'identifier les stratégies de coopération qui maximiseraient les gains en efficacité spectrale et en puissance d'émission. Pour coopérer, les nœuds du réseau partagent leurs ressources (énergie, bande de fréquence, etc. ...) pour améliorer mutuellement leurs transmissions et leurs réceptions. Dans les réseaux sans fil avec relais, les relais sont des nœuds dédiés à améliorer la qualité de la communication entre les nœuds sources et destination.Dans la première partie de la thèse, nous nous concentrons sur un réseau sans fil avec relais spécifique où l'ensemble de sources (mobiles) veulent communiquer leurs messages à une destination commune (station de base) avec l'aide d'un ensemble de relais (contexte cellulaire, sens montant). Nous étudions, sur les plans théorique et pratique, un schéma coopératif dans lequel les relais, après une durée d'écoute fixée a priori, essayent de décoder les messages des sources et commencent à transmettre des signaux utiles pour ceux qui sont décodés correctement. Ces signaux utiles sont le résultat d'un codage canal-réseau conjoint.Une des limitations du système coopératif précédent est précisément que le temps d'écoute des relais est figé et ne peut pas être adapté à la qualité fluctuante (aléatoire) des liens instantanés sources-relais. Pour pallier cette difficulté, nous proposons et analysons, dans une seconde partie de la thèse, un schéma de coopération plus avancé où le temps d'écoute de chaque relais peut être dynamique. Dans ces conditions, un relais bénéficiant d'une meilleure qualité de réception des sources peut commencer à coopérer plus tôt que d'autres relais ayant une qualité de réception moindre.Enfin, dans la troisième et dernière partie de la thèse, nous considérons la présence d'une information de retour limitée (limited feedback) entre la destination et les sources et les relais, et tentons de caractériser l'efficacité spectrale d'un tel système

Trustworthiness Mechanisms for Long-Distance Networks in Internet of Things

Aquesta tesi té com a objectiu aconseguir un intercanvi de dades fiable en un entorn hostil millorant-ne la confiabilitat mitjançant el disseny d'un model complet que tingui en compte les diferents capes de confiabilitat i mitjançant la implementació de les contramesures associades al model. La tesi se centra en el cas d'ús del projecte SHETLAND-NET, amb l'objectiu de desplegar una arquitectura d'Internet de les coses (IoT) híbrida amb comunicacions LoRa i d'ona ionosfèrica d'incidència gairebé vertical (NVIS) per oferir un servei de telemetria per al monitoratge del “permafrost” a l'Antàrtida. Per complir els objectius de la tesi, en primer lloc, es fa una revisió de l'estat de l'art en confiabilitat per proposar una definició i l'abast del terme de confiança. Partint d'aquí, es dissenya un model de confiabilitat de quatre capes, on cada capa es caracteritza pel seu abast, mètrica per a la quantificació de la confiabilitat, contramesures per a la millora de la confiabilitat i les interdependències amb les altres capes. Aquest model permet el mesurament i l'avaluació de la confiabilitat del cas d'ús a l'Antàrtida. Donades les condicions hostils i les limitacions de la tecnologia utilitzada en aquest cas d’ús, es valida el model i s’avalua el servei de telemetria a través de simulacions en Riverbed Modeler. Per obtenir valors anticipats de la confiabilitat esperada, l'arquitectura proposada es modela per avaluar els resultats amb diferents configuracions previ al seu desplegament en proves de camp. L'arquitectura proposada passa per tres principals iteracions de millora de la confiabilitat. A la primera iteració, s'explora l'ús de mecanismes de consens i gestió de la confiança social per aprofitar la redundància de sensors. En la segona iteració, s’avalua l’ús de protocols de transport moderns per al cas d’ús antàrtic. L’última iteració d’aquesta tesi avalua l’ús d’una arquitectura de xarxa tolerant al retard (DTN) utilitzant el Bundle Protocol (BP) per millorar la confiabilitat del sistema. Finalment, es presenta una prova de concepte (PoC) amb maquinari real que es va desplegar a la campanya antàrtica 2021-2022, descrivint les proves de camp funcionals realitzades a l'Antàrtida i Catalunya.Esta tesis tiene como objetivo lograr un intercambio de datos confiable en un entorno hostil mejorando su confiabilidad mediante el diseño de un modelo completo que tenga en cuenta las diferentes capas de confiabilidad y mediante la implementación de las contramedidas asociadas al modelo. La tesis se centra en el caso de uso del proyecto SHETLAND-NET, con el objetivo de desplegar una arquitectura de Internet de las cosas (IoT) híbrida con comunicaciones LoRa y de onda ionosférica de incidencia casi vertical (NVIS) para ofrecer un servicio de telemetría para el monitoreo del “permafrost” en la Antártida. Para cumplir con los objetivos de la tesis, en primer lugar, se realiza una revisión del estado del arte en confiabilidad para proponer una definición y alcance del término confiabilidad. Partiendo de aquí, se diseña un modelo de confiabilidad de cuatro capas, donde cada capa se caracteriza por su alcance, métrica para la cuantificación de la confiabilidad, contramedidas para la mejora de la confiabilidad y las interdependencias con las otras capas. Este modelo permite la medición y evaluación de la confiabilidad del caso de uso en la Antártida. Dadas las condiciones hostiles y las limitaciones de la tecnología utilizada en este caso de uso, se valida el modelo y se evalúa el servicio de telemetría a través de simulaciones en Riverbed Modeler. Para obtener valores anticipados de la confiabilidad esperada, la arquitectura propuesta es modelada para evaluar los resultados con diferentes configuraciones previo a su despliegue en pruebas de campo. La arquitectura propuesta pasa por tres iteraciones principales de mejora de la confiabilidad. En la primera iteración, se explora el uso de mecanismos de consenso y gestión de la confianza social para aprovechar la redundancia de sensores. En la segunda iteración, se evalúa el uso de protocolos de transporte modernos para el caso de uso antártico. La última iteración de esta tesis evalúa el uso de una arquitectura de red tolerante al retardo (DTN) utilizando el Bundle Protocol (BP) para mejorar la confiabilidad del sistema. Finalmente, se presenta una prueba de concepto (PoC) con hardware real que se desplegó en la campaña antártica 2021-2022, describiendo las pruebas de campo funcionales realizadas en la Antártida y Cataluña.This thesis aims at achieving reliable data exchange over a harsh environment by improving its trustworthiness through the design of a complete model that takes into account the different layers of trustworthiness and through the implementation of the model’s associated countermeasures. The thesis focuses on the use case of the SHETLAND-NET project, aiming to deploy a hybrid Internet of Things (IoT) architecture with LoRa and Near Vertical Incidence Skywave (NVIS) communications to offer a telemetry service for permafrost monitoring in Antarctica. To accomplish the thesis objectives, first, a review of the state of the art in trustworthiness is carried out to propose a definition and scope of the trustworthiness term. From these, a four-layer trustworthiness model is designed, with each layer characterized by its scope, metric for trustworthiness accountability, countermeasures for trustworthiness improvement, and the interdependencies with the other layers. This model enables trustworthiness accountability and assessment of the Antarctic use case. Given the harsh conditions and the limitations of the use technology in this use case, the model is validated and the telemetry service is evaluated through simulations in Riverbed Modeler. To obtain anticipated values of the expected trustworthiness, the proposal has been modeled to evaluate the performance with different configurations prior to its deployment in the field. The proposed architecture goes through three major iterations of trustworthiness improvement. In the first iteration, using social trust management and consensus mechanisms is explored to take advantage of sensor redundancy. In the second iteration, the use of modern transport protocols is evaluated for the Antarctic use case. The final iteration of this thesis assesses using a Delay Tolerant Network (DTN) architecture using the Bundle Protocol (BP) to improve the system’s trustworthiness. Finally, a Proof of Concept (PoC) with real hardware that was deployed in the 2021-2022 Antarctic campaign is presented, describing the functional tests performed in Antarctica and Catalonia

Advanced Trends in Wireless Communications

Physical limitations on wireless communication channels impose huge challenges to reliable communication. Bandwidth limitations, propagation loss, noise and interference make the wireless channel a narrow pipe that does not readily accommodate rapid flow of data. Thus, researches aim to design systems that are suitable to operate in such channels, in order to have high performance quality of service. Also, the mobility of the communication systems requires further investigations to reduce the complexity and the power consumption of the receiver. This book aims to provide highlights of the current research in the field of wireless communications. The subjects discussed are very valuable to communication researchers rather than researchers in the wireless related areas. The book chapters cover a wide range of wireless communication topics

Opportunistic Adaptive Transmission for Network Coding Using Nonbinary LDPC Codes

Network coding allows to exploit spatial diversity naturally present in mobile wireless networks and can be seen as an example of cooperative communication at the link layer and above. Such promising technique needs to rely on a suitable physical layer in order to achieve its best performance. In this paper, we present an opportunistic packet scheduling method based on physical layer considerations. We extend channel adaptation proposed for the broadcast phase of asymmetric two-way bidirectional relaying to a generic number of sinks and apply it to a network context. The method consists of adapting the information rate for each receiving node according to its channel status and independently of the other nodes. In this way, a higher network throughput can be achieved at the expense of a slightly higher complexity at the transmitter. This configuration allows to perform rate adaptation while fully preserving the benefits of channel and network coding. We carry out an information theoretical analysis of such approach and of that typically used in network coding. Numerical results based on nonbinary LDPC codes confirm the effectiveness of our approach with respect to previously proposed opportunistic scheduling techniques.</p