On the Security of Cognitive Radio Networks

Cognitive radio has emerged as an essential recipe for future high-capacity high-coverage multi-tier hierarchical networks. Securing data transmission in these networks is of utmost importance. In this paper, we consider the cognitive wiretap channel and propose multiple antennas to secure the transmission at the physical layer, where the eavesdropper overhears the transmission from the secondary transmitter to the secondary receiver. The secondary receiver and the eavesdropper are equipped with multiple antennas, and passive eavesdropping is considered where the channel state information of the eavesdropper’s channel is not available at the secondary transmitter. We present new closedform expressions for the exact and asymptotic secrecy outage probability. Our results reveal the impact of the primary network on the secondary network in the presence of a multi-antenna wiretap channel.

Supernovae and radio transients in M82

We present optical and near-infrared (NIR) photometry and NIR spectroscopy of SN 2004am, the only optically detected supernova (SN) in M82. These demonstrate that SN 2004am was a highly reddened Type II-P SN similar to the low-luminosity Type II-P events such as SNe 1997D and 2005cs. We show that SN 2004am was located coincident with the obscured super star cluster M82-L, and from the cluster age infer a progenitor mass of 12{^{+ 7}_{- 3}} M⊙. In addition to this, we present a high spatial resolution Gemini-North Telescope K-band adaptive optics image of the site of SN 2008iz and a second transient of uncertain nature, both detected so far only at radio wavelengths. Using image subtraction techniques together with archival data from the Hubble Space Telescope, we are able to recover a NIR transient source coincident with both objects. We find the likely extinction towards SN 2008iz to be not more than AV ˜ 10. The nature of the second transient remains elusive and we regard an extremely bright microquasar in M82 as the most plausible scenario.

Electron dynamics and frequency coupling in a radio-frequency capacitively biased planar coil inductively coupled plasma system

The electron dynamics in a planar coil inductively coupled plasma (ICP) system with a capacitively biased electrode is investigated using space and phase resolved optical emission spectroscopy. The two power source frequencies are exact multiple of each other and phase-locked. In this configuration, the system is investigated when the coil is operated in both E-mode and H-mode. The results show that in a phase synchronized RF biased ICP, the electrode bias power couples with the capacitive contribution of the coil, in both E-mode and H-modes, similar to dual-frequency capacitively coupled plasmas (2f-CCPs). It is also demonstrated that in H-mode, the phase between the electrode bias frequency and the ICP coil frequency influences the electron heating, similar to the electrical asymmetry effect in 2f-CCPs.

EARLY RADIO AND X-RAY OBSERVATIONS OF THE YOUNGEST NEARBY TYPE Ia SUPERNOVA PTF 11kly (SN 2011fe)

On 2011 August 24 (UT) the Palomar Transient Factory (PTF) discovered PTF11kly (SN 2011fe), the youngest and most nearby Type Ia supernova (SN Ia) in decades. We followed this event up in the radio (centimeter and millimeter bands) and X-ray bands, starting about a day after the estimated explosion time. We present our analysis of the radio and X-ray observations, yielding the tightest constraints yet placed on the pre-explosion mass-loss rate from the progenitor system of this supernova. We find a robust limit of from sensitive X-ray non-detections, as well as a similar limit from radio data, which depends, however, on assumptions about microphysical parameters. We discuss our results in the context of single-degenerate models for SNe Ia and find that our observations modestly disfavor symbiotic progenitor models involving a red giant donor, but cannot constrain systems accreting from main-sequence or sub-giant stars, including the popular supersoft channel. In view of the proximity of PTF11kly and the sensitivity of our prompt observations, we would have to wait for a long time (a decade or longer) in order to more meaningfully probe the circumstellar matter of SNe Ia.

An empirical polarization domain channel availability model for cognitive radio

In dynamic spectrum access networks, cognitive radio terminals monitor their spectral environment in order to detect and opportunistically access unoccupied frequency channels. The overall performance of such networks depends on the spectrum occupancy or availability patterns. Accurate knowledge on the channel availability enables optimum performance of such networks in terms of spectrum and energy efficiency. This work proposes a novel probabilistic channel availability model that can describe the channel availability in different polarizations for mobile cognitive radio terminals that are likely to change their orientation during their operation. A Gaussian approximation is used to model the empirical occupancy data that was obtained through a measurement campaign in the cellular frequency bands within a realistic operational scenario.

An HMM-based spectrum occupancy predictor for energy efficient cognitive radio

Spectrum sensing is the cornerstone of cognitive radio technology and refers to the process of obtaining awareness of the radio spectrum usage in order to detect the presence of other users. Spectrum sensing algorithms consume considerable energy and time. Prediction methods for inferring the channel occupancy of future time instants have been proposed as a means of improving performance in terms of energy and time consumption. This paper studies the performance of a hidden Markov model (HMM) spectrum occupancy predictor as well as the improvement in sensing energy and time consumption based on real occupancy data obtained in the 2.4GHz ISM band. Experimental results show that the HMM-based occupancy predictor outperforms a kth order Markov and a 1-nearest neighbour (1NN) predictor. Our study also suggests that by employing such a predictive scheme in spectrum sensing, an improvement of up to 66% can be achieved in the required sensing energy and time.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Study of the impact from nonlinear distortion in radio receiver architectures

A dissertação de doutoramento apresentada insere-se na área de electrónica não-linear de rádio-frequência (RF), UHF e microondas, tendo como principal campo de acção o estudo da distorção nãolinear em arquitecturas de recepção rádio, nomeadamente receptores de conversão directa como Power Meters, RFID (Radio Frequency IDentification) ou SDR (Software Define Radio) front-ends. Partindo de um estudo exaustivo das actuais arquitecturas de recepção de radiofrequência e revendo todos os conceitos teóricos relacionados com o desempenho não-linear dos sistemas/componentes electrónicos, foram desenvolvidos algoritmos matemáticos de modulação dos comportamentos não-lineares destas arquitecturas, simulados e testados em laboratório e propostas novas arquitecturas para a minimização ou cancelamento do impacto negativo de grandes interferidores em frequências vizinhas ao do sistema pretendido.

Characterization and modelling of software defined radio front-ends

O presente trabalho tem por objectivo estudar a caracterização e modelação de arquitecturas de rádio frequência para aplicações em rádios definidos por software e rádios cognitivos. O constante aparecimento no mercado de novos padrões e tecnologias para comunicações sem fios têm levantado algumas limitações à implementação de transceptores rádio de banda larga. Para além disso, o uso de sistemas reconfiguráveis e adaptáveis baseados no conceito de rádio definido por software e rádio cognitivo assegurará a evolução para a próxima geração de comunicações sem fios. A ideia base desta tese passa por resolver alguns problemas em aberto e propor avanços relevantes, tirando para isso partido das capacidades providenciadas pelos processadores digitais de sinal de forma a melhorar o desempenho global dos sistemas propostos. Inicialmente, serão abordadas várias estratégias para a implementação e projecto de transceptores rádio, concentrando-se sempre na aplicabilidade específica a sistemas de rádio definido por software e rádio cognitivo. Serão também discutidas soluções actuais de instrumentação capaz de caracterizar um dispositivo que opere simultaneamente nos domínios analógico e digital, bem como, os próximos passos nesta área de caracterização e modelação. Além disso, iremos apresentar novos formatos de modelos comportamentais construídos especificamente para a descrição e caracterização não-linear de receptores de amostragem passa-banda, bem como, para sistemas nãolineares que utilizem sinais multi-portadora. Será apresentada uma nova arquitectura suportada na avaliação estatística dos sinais rádio que permite aumentar a gama dinâmica do receptor em situações de multi-portadora. Da mesma forma, será apresentada uma técnica de maximização da largura de banda de recepção baseada na utilização do receptor de amostragem passa-banda no formato complexo. Finalmente, importa referir que todas as arquitecturas propostas serão acompanhadas por uma introdução teórica e simulações, sempre que possível, sendo após isto validadas experimentalmente por protótipos laboratoriais.

Characterization of RSOA modulators in radio over fiber links

In this work physical and behavioral models for a bulk Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA) modulator in Radio over Fiber (RoF) links are proposed. The transmission performance of the RSOA modulator is predicted under broadband signal drive. At first, the simplified physical model for the RSOA modulator in RoF links is proposed, which is based on the rate equation and traveling-wave equations with several assumptions. The model is implemented with the Symbolically Defined Devices (SDD) in Advanced Design System (ADS) and validated with experimental results. Detailed analysis regarding optical gain, harmonic and intermodulation distortions, and transmission performance is performed. The distribution of the carrier and Amplified Spontaneous Emission (ASE) is also demonstrated. Behavioral modeling of the RSOA modulator is to enable us to investigate the nonlinear distortion of the RSOA modulator from another perspective in system level. The Amplitude-to-Amplitude Conversion (AM-AM) and Amplitude-to-Phase Conversion (AM-PM) distortions of the RSOA modulator are demonstrated based on an Artificial Neural Network (ANN) and a generalized polynomial model. Another behavioral model based on Xparameters was obtained from the physical model. Compensation of the nonlinearity of the RSOA modulator is carried out based on a memory polynomial model. The nonlinear distortion of the RSOA modulator is reduced successfully. The improvement of the 3rd order intermodulation distortion is up to 17 dB. The Error Vector Magnitude (EVM) is improved from 6.1% to 2.0%. In the last part of this work, the performance of Fibre Optic Networks for Distributed and Extendible Heterogeneous Radio Architectures and Service Provisioning (FUTON) systems, which is the four-channel virtual Multiple Input Multiple Output (MIMO), is predicted by using the developed physical model. Based on Subcarrier Multiplexing (SCM) techniques, four-channel signals with 100 MHz bandwidth per channel are generated and used to drive the RSOA modulator. The transmission performance of the RSOA modulator under the broadband multi channels is depicted with the figure of merit, EVM under di erent adrature Amplitude Modulation (QAM) level of 64 and 254 for various number of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) subcarriers of 64, 512, 1024 and 2048.

Q-enhancement with on-chip inductor optimization for reconfigurable Δ-Σ radio-frequency ADC

The paper details on-chip inductor optimization for a reconfigurable continuous-time delta-sigma (Δ-Σ) modulator based radio-frequency analog-to-digital converter. Inductor optimisation enables the Δ-Σ modulator with Q enhanced LC tank circuits employing a single high Q-factor on-chip inductor and lesser quantizer levels thereby reducing the circuit complexity for excess loop delay, power dissipation and dynamic element matching. System level simulations indicate at a Q-factor of 75 Δ- Σ modulator with a 3-level quantizer achieves dynamic ranges of 106, 82 dB and 84 dB for RFID, TETRA, and Galileo over bandwidths of 200 kHz, 10 MHz and 40 MHz respectively.