Near-Optimum Coding for q-ary Symmetric Channel with Application to Space Communications

Questa Tesi aspira a mostrare un codice a livello di pacchetto, che abbia performance molto vicine a quello ottimo, per progetti di comunicazioni Satellitari. L’altro scopo di questa Tesi è quello di capire se rimane ancora molto più difficile maneggiare direttamente gli errori piuttosto che le erasures. Le applicazioni per comunicazioni satellitari ora come ora usano tutte packet erasure coding per codificare e decodificare l’informazione. La struttura dell’erasure decoding è molto semplice, perché abbiamo solamente bisogno di un Cyclic Redundancy Check (CRC) per realizzarla. Il problema nasce quando abbiamo pacchetti di dimensioni medie o piccole (per esempio più piccole di 100 bits) perché in queste situazioni il costo del CRC risulta essere troppo dispendioso. La soluzione la possiamo trovare utilizzando il Vector Symbol Decoding (VSD) per raggiungere le stesse performance degli erasure codes, ma senza la necessità di usare il CRC. Per prima cosa viene fatta una breve introduzione su come è nata e su come si è evoluta la codifica a livello di pacchetto. In seguito è stato introdotto il canale q-ary Symmetric Channel (qSC), con sia la derivazione della sua capacità che quella del suo Random Coding Bound (RCB). VSD è stato poi proposto con la speranza di superare in prestazioni il Verification Based Decoding (VBD) su il canale qSC. Infine, le effettive performance del VSD sono state stimate via simulazioni numeriche. I possibili miglioramenti delle performance, per quanto riguarda il VBD sono state discusse, come anche le possibili applicazioni future. Inoltre abbiamo anche risposto alla domande se è ancora così tanto più difficile maneggiare gli errori piuttosto che le erasure.

Cognitive radio in sistemi di comunicazione satellitari

La tesi descrive alcune applicazioni in ambito satellitare delle tecniche di radio cognitiva. In particolare si analizza la loro possibile implementazione in uno scenario dual-satellite in banda Ka nel quale l'utente primario si avvale dello standard DVB-S2 per la trasmissione. A seguire la verifica delle performance degli algoritmi di spectum sensing per la detection del segnale primario attraverso simulazioni in ambiente matlab con curve ROC e curve di probabilità di detection in funzione del rapporto segnale rumore.

Erasure error correcting codes applied to DTN communications.

The space environment has always been one of the most challenging for communications, both at physical and network layer. Concerning the latter, the most common challenges are the lack of continuous network connectivity, very long delays and relatively frequent losses. Because of these problems, the normal TCP/IP suite protocols are hardly applicable. Moreover, in space scenarios reliability is fundamental. In fact, it is usually not tolerable to lose important information or to receive it with a very large delay because of a challenging transmission channel. In terrestrial protocols, such as TCP, reliability is obtained by means of an ARQ (Automatic Retransmission reQuest) method, which, however, has not good performance when there are long delays on the transmission channel. At physical layer, Forward Error Correction Codes (FECs), based on the insertion of redundant information, are an alternative way to assure reliability. On binary channels, when single bits are flipped because of channel noise, redundancy bits can be exploited to recover the original information. In the presence of binary erasure channels, where bits are not flipped but lost, redundancy can still be used to recover the original information. FECs codes, designed for this purpose, are usually called Erasure Codes (ECs). It is worth noting that ECs, primarily studied for binary channels, can also be used at upper layers, i.e. applied on packets instead of bits, offering a very interesting alternative to the usual ARQ methods, especially in the presence of long delays. A protocol created to add reliability to DTN networks is the Licklider Transmission Protocol (LTP), created to obtain better performance on long delay links. The aim of this thesis is the application of ECs to LTP.

5g mobile communications systems

Un sistema mobile di comunicazione è un sistema di telecomunicazioni in cui è possibile mantenere la connessione o legame tra due o più utenti, anche nelle situazioni di mobilità totale o parziale degli stessi utenti. I sistemi radiomobili si stanno evolvendo dalla creazione del 1G (prima generazione) al 4G (quarta generazione). I telefoni di ogni generazione si differenziano in quattro aspetti principali : accesso radio, velocità di trasmissione dati, larghezza di banda e sistemi di commutazione. In questa tesi si affronta il tema dei sistemi 5G , negli ambienti terrestri e satellitari , in quanto sono l'ultima evoluzione dei sistemi mobili . Si introduce il passaggio dalla prima alla connessione di quarta generazione , al fine di capire perché 5G sta per cambiare la nostra vita . Quello che mi colpisce è il sito italiano www.Repubblica.it che dice : " con la nuova generazione 5 possiamo affidare le intere porzioni nette di vita". La tecnologia cellulare , infatti , ha cambiato radicalmente la nostra società e il nostro modo di comunicare . In primo luogo è cambiata la telefonia vocale , per poi trasferirsi all' accesso dati , applicazioni e servizi. Tuttavia , Internet non è stato ancora pienamente sfruttato dai sistemi cellulari. Con l'avvento del 5G avremo l'opportunità di scavalcare le capacità attuali di Internet . Il sistema di comunicazione di quinta generazione è visto come la rete wireless reale , in grado di supportare applicazioni web wireless a livello mondiale ( wwww ). Ci sono due punti di vista dei sistemi 5G : evolutivo e rivoluzionario. Dal punto di vista evolutivo, i sistemi 5G saranno in grado di supportare wwww permettendo una rete altamente flessibile come un Adhoc rete wireless dinamica ( DAWN ) . In questa visione tecnologie avanzate, tra cui antenna intelligente e modulazione flessibile , sono le chiavi per ottimizzare le reti wireless ad hoc. Dal punto di vista rivoluzionario, i sistemi 5G dovrebbe essere una tecnologia intelligente in grado di interconnettere tutto il mondo senza limiti . Un esempio di applicazione potrebbe essere un robot wireless con intelligenza artificiale .

Digital predistortion for compensation of nonlinearities in Radio over Fiber Links

In order to cope up with the ever increasing demand for larger transmission bandwidth, Radio over Fiber technology is a very beneficial solution. These systems are expected to play a major role within future fifth generation wireless networks due to their inherent capillary distribution properties. Nonlinear compensation techniques are becoming increasingly important to improve the performance of telecommunication channels by compensating for channel nonlinearities. Indeed, significant bounds on the technology usability and performance degradation occur due to nonlinear characteristics of optical transmitter, nonlinear generation of spurious frequencies, which, in the case of RoF links exploiting Directly Modulated Lasers , has the combined effect of laser chirp and optical fiber dispersion among its prevailing causes. The purpose of the research is to analyze some of the main causes of harmonic and intermodulation distortion present in Radio over Fiber (RoF) links, and to suggest a solution to reduce their effects, through a digital predistortion technique. Predistortion is an effective and interesting solution to linearize and this allows to demonstrate that the laser’s chirp and the optical fiber’s dispersion are the main causes which generate harmonic distortion. The improvements illustrated are only theoretical, based on a feasibility point of view. The simulations performed lead to significant improvements for short and long distances of radio over fiber link lengths. The algorithm utilized for simulation has been implemented on MATLAB. The effects of chirp and fiber nonlinearity in a directly modulated fiber transmission system are investigated by simulation, and a cost effective and rather simple technique for compensating these effects is discussed. A detailed description of its functional model is given, and its attractive features both in terms of quality improvement of the received signal, and cost effectiveness of the system are illustrated.

Performance analysis of different sensing techniques in Cognitive Radio Networks.

The spectrum of radiofrequency is distributed in such a way that it is fixed to certain users called licensed users and it cannot be used by unlicensed users even though the spectrum is not in use. This inefficient use of spectrum leads to spectral holes. To overcome the problem of spectral holes and increase the efficiency of the spectrum, Cognitive Radio (CR) was used and all simulation work was done on MATLAB. Here analyzed the performance of different spectrum sensing techniques as Match filter based spectrum sensing and energy detection, which depend on various factors, systems such as Numbers of input, signal-to-noise ratio ( SNR Ratio), QPSK system and BPSK system, and different fading channels, to identify the best possible channels and systems for spectrum sensing and improving the probability of detection. The study resulted that an averaging filter being better than an IIR filter. As the number of inputs and SNR increased, the probability of detection also improved. The Rayleigh fading channel has a better performance compared to the Rician and Nakagami fading channel.

Multi-mode communications in near field exploiting OAM properties

This dissertation analyzes the exploitation of the orbital angular momentum (OAM) of the electromagnetic waves with large intelligent surfaces in the near-field region and line-of-sight conditions, in light of the holographic MIMO communication concept. Firstly, a characterization of the OAM-based communication problem is presented, and the relationship between OAM-carrying waves and communication modes is discussed. Then, practicable strategies for OAM detection using large intelligent surfaces and optimization methods based on beam focusing are proposed. Numerical results characterize the effectiveness of OAM with respect to other strategies, also including the proposed detection and optimization methods. It is shown that OAM waves constitute a particular choice of communication modes, i.e., an alternative basis set, which is sub-optimum with respect to optimal basis functions that can be derived by solving eigenfunction problems. Moreover, even the joint utilization of OAM waves with focusing strategies led to the conclusion that no channel capacity achievements can be obtained with these transmission techniques.