2,594 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

    Quality of experience and access network traffic management of HTTP adaptive video streaming

    Get PDF
    The thesis focuses on Quality of Experience (QoE) of HTTP adaptive video streaming (HAS) and traffic management in access networks to improve the QoE of HAS. First, the QoE impact of adaptation parameters and time on layer was investigated with subjective crowdsourcing studies. The results were used to compute a QoE-optimal adaptation strategy for given video and network conditions. This allows video service providers to develop and benchmark improved adaptation logics for HAS. Furthermore, the thesis investigated concepts to monitor video QoE on application and network layer, which can be used by network providers in the QoE-aware traffic management cycle. Moreover, an analytic and simulative performance evaluation of QoE-aware traffic management on a bottleneck link was conducted. Finally, the thesis investigated socially-aware traffic management for HAS via Wi-Fi offloading of mobile HAS flows. A model for the distribution of public Wi-Fi hotspots and a platform for socially-aware traffic management on private home routers was presented. A simulative performance evaluation investigated the impact of Wi-Fi offloading on the QoE and energy consumption of mobile HAS.Die Doktorarbeit beschäftigt sich mit Quality of Experience (QoE) – der subjektiv empfundenen Dienstgüte – von adaptivem HTTP Videostreaming (HAS) und mit Verkehrsmanagement, das in Zugangsnetzwerken eingesetzt werden kann, um die QoE des adaptiven Videostreamings zu verbessern. Zuerst wurde der Einfluss von Adaptionsparameters und der Zeit pro Qualitätsstufe auf die QoE von adaptivem Videostreaming mittels subjektiver Crowdsourcingstudien untersucht. Die Ergebnisse wurden benutzt, um die QoE-optimale Adaptionsstrategie für gegebene Videos und Netzwerkbedingungen zu berechnen. Dies ermöglicht Dienstanbietern von Videostreaming verbesserte Adaptionsstrategien für adaptives Videostreaming zu entwerfen und zu benchmarken. Weiterhin untersuchte die Arbeit Konzepte zum Überwachen von QoE von Videostreaming in der Applikation und im Netzwerk, die von Netzwerkbetreibern im Kreislauf des QoE-bewussten Verkehrsmanagements eingesetzt werden können. Außerdem wurde eine analytische und simulative Leistungsbewertung von QoE-bewusstem Verkehrsmanagement auf einer Engpassverbindung durchgeführt. Schließlich untersuchte diese Arbeit sozialbewusstes Verkehrsmanagement für adaptives Videostreaming mittels WLAN Offloading, also dem Auslagern von mobilen Videoflüssen über WLAN Netzwerke. Es wurde ein Modell für die Verteilung von öffentlichen WLAN Zugangspunkte und eine Plattform für sozialbewusstes Verkehrsmanagement auf privaten, häuslichen WLAN Routern vorgestellt. Abschließend untersuchte eine simulative Leistungsbewertung den Einfluss von WLAN Offloading auf die QoE und den Energieverbrauch von mobilem adaptivem Videostreaming

    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

    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

    A machine learning based Distributed Congestion Control Protocol for multi-hop wireless networks

    Get PDF
    The application areas of multi-hop wireless networks are expected to experience sustained growth in the next years. This growth will be further supported by the current possibility of providing low-cost communication capabilities to any device. One of the main issues to consider with this type of networks is congestion control, that is, avoiding an excessive volume of data traffic that could lead to a loss of performance. In this work, a distributed congestion control mechanism is proposed for generic multi-hop networks. Different categories of data traffic are taken into account, each of them with different quality of service requirements. The mechanism is based on machine learning techniques, specifically, the CatBoost algorithm that uses gradient boosting on decision trees. The obtained decision trees are used to predict whether the packets to be transmitted over the network will reach their destination on time or not. This prediction will be made based on the network load state, which will be quantified by means of two parameters: the utilization factor of the different transmission channels, and the occupancy of the buffers of the network nodes. To make the values of these parameters available to all nodes in the network, an appropriate dissemination protocol has also been designed. Besides, a method to assign different transmission priorities to each traffic category, based on the estimation of the network resources required at any time, has also been included. The complete system has been implemented and evaluated through simulations, which show the correct functionality and the improvements obtained in terms of packet delivery ratio, network transit time, and traffic differentiation.Peer ReviewedPostprint (published version

    Integration of hybrid networks, AI, Ultra Massive-MIMO, THz frequency, and FBMC modulation toward 6g requirements : A Review

    Get PDF
    The fifth-generation (5G) wireless communications have been deployed in many countries with the following features: wireless networks at 20 Gbps as peak data rate, a latency of 1-ms, reliability of 99.999%, maximum mobility of 500 km/h, a bandwidth of 1-GHz, and a capacity of 106 up to Mbps/m2. Nonetheless, the rapid growth of applications, such as extended/virtual reality (XR/VR), online gaming, telemedicine, cloud computing, smart cities, the Internet of Everything (IoE), and others, demand lower latency, higher data rates, ubiquitous coverage, and better reliability. These higher requirements are the main problems that have challenged 5G while concurrently encouraging researchers and practitioners to introduce viable solutions. In this review paper, the sixth-generation (6G) technology could solve the 5G limitations, achieve higher requirements, and support future applications. The integration of multiple access techniques, terahertz (THz), visible light communications (VLC), ultra-massive multiple-input multiple-output ( μm -MIMO), hybrid networks, cell-free massive MIMO, and artificial intelligence (AI)/machine learning (ML) have been proposed for 6G. The main contributions of this paper are a comprehensive review of the 6G vision, KPIs (key performance indicators), and advanced potential technologies proposed with operation principles. Besides, this paper reviewed multiple access and modulation techniques, concentrating on Filter-Bank Multicarrier (FBMC) as a potential technology for 6G. This paper ends by discussing potential applications with challenges and lessons identified from prior studies to pave the path for future research

    Accelerating FPGA-Based Wi-Fi Transceiver Design and Prototyping by High-Level Synthesis

    Full text link
    Field-Programmable Gate Array (FPGA)-based Software-Defined Radio (SDR) is well-suited for experimenting with advanced wireless communication systems, as it allows to alter the architecture promptly while obtaining high performance. However, programming the FPGA using a Hardware Description Language (HDL) is a time-consuming task for FPGA developers and difficult for software developers, which limits the potential of SDR. High-Level Synthesis (HLS) tools aid the designers by allowing them to program on a higher layer of abstraction. However, if not carefully designed, it may lead to a degradation in computing performance or significant increase in resource utilization. This work shows that it is feasible to design modern Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) baseband processing modules like channel estimation and equalization using HLS without sacrificing performance and to integrate them in an HDL design to form a fully-operational FPGA-based Wi-Fi (IEEE 802.11a/g/n) transceiver. Starting from no HLS experience, a design with minor overhead in terms of latency and resource utilization as compared to the HDL approach was created in less than one month. We show the readability of the sequential logic as coded in HLS, and discuss the lessons learned from the approach taken and the benefits it brings for further design and experimentation. The FPGA design generated by HLS was verified to be bit-true with its MATLAB implementation in simulation. Furthermore, we show its practical performance when deployed on a System-on-Chip (SoC)-based SDR using a professional wireless connectivity tester.Comment: 7 pages, extended version of poster accepted at FCCM 202

    ANALISA PENEMPATAN ANTENNA DIRECTIONAL PADA HD-AP MENGGUNAKAN METODE SIDE COVERAGE

    Get PDF
    ABSTRAK Seiring dengan tingginya minat Ballroom hotel sebagai tempat berkumpul, membutuhkan Wi-Fi sebagai fasilitas penting yang harus dilengkapi. Penggunaan antenna omni-directional dalam kondisi High Density Access Point justru memperburuk interferensi. Penelitian ini mengusulkan penggunaan antenna directional berdasarkan metoda side coverage sebagai pilihan penempatannya. Analisis dilakukan berdasarkan Teknologi 802.11g untuk non-overlapping channel dengan kemungkinan variasi dimensi ruangan. Hasil penelitian menunjukan bahwa untuk ruangan kecil dengan lebar hingga 8 Meter dapat ditempatkan secara single side coverage. Sedangkan ruangan dengan lebar sampai 15 Meter harus menggunakan double side coverage dimana total kapasitas yang dapat diberikan per AP mencapai Kecepatan 180 Mbps. Kata kunci: Wi-Fi, Directional Anntena, Non-Overlappng Channel, High Density Access Point, Indoor SideCoverage
    corecore