BER Driven Synthesis for Directional Modulation Secured Wireless Communication

Directional modulation (DM) is a recently introduced technique for secure wireless transmission using direct physical layer wave-front manipulation. This paper provides a bit error rate (BER)-based DM array synthesis method. It is shown for the first time that the standard constellation mappings in In-phase and Quadrature (IQ) space to a pre-specified BER can be exactly achieved along a given specified spatial direction. Different receiver capabilities are investigated and different assessment metrics for each case are discussed. The approach is validated for a 1 × 4 element dipole array operating at 1 GHz.

Establishing Metrics for Assessing the Performance of Directional Modulation Systems

In this paper metrics for assessing the performance of directional modulation (DM) physical-layer secure wireless systems are discussed. In the paper DM systems are shown to be categorized as static or dynamic. The behavior of each type of system is discussed for QPSK modulation. Besides EVM-like and BER metrics, secrecy rate as used in information theory community is also derived for the purpose of this QPSK DM system evaluation.

Finding the Most Descriptive Substructures in Graphs with Discrete and Numeric Labels

Many graph datasets are labelled with discrete and numeric attributes. Most frequent substructure discovery algorithms ignore numeric attributes; in this paper we show how they can be used to improve search performance and discrimination. Our thesis is that the most descriptive substructures are those which are normative both in terms of their structure and in terms of their numeric values. We explore the relationship between graph structure and the distribution of attribute values and propose an outlier-detection step, which is used as a constraint during substructure discovery. By pruning anomalous vertices and edges, more weight is given to the most descriptive substructures. Our method is applicable to multi-dimensional numeric attributes; we outline how it can be extended for high-dimensional data. We support our findings with experiments on transaction graphs and single large graphs from the domains of physical building security and digital forensics, measuring the effect on runtime, memory requirements and coverage of discovered patterns, relative to the unconstrained approach.

Directional Modulation Enhanced Retrodirective Array

Unlike the mathematical techniques adopted in classical cryptographic technology at higher protocol layers, it is shown that characteristics intrinsic to the physical layer can be exploited to secure useful information. It is shown that a retrodirective array can be made to operate more securely by incorporating directional modulation (DM) concepts. The presented new approach allows DM to operate in a multipath environment. Previously, DM systems could only operate in free space.

Experiment of Digital Directional Modulation Transmitters

A digital directional modulation (DM) transmitter structure is proposed from a practical implementation point of view in this paper. This digital DM architecture is built with the help of several off-the-shelf physical layer wireless experiment platform hardware boards. When compared with previous analogue DM transmitter architectures, the digital means offers more precise and fast control on the updates of the array excitations. More importantly, it is an ideal physical arrangement to implement the most universal DM synthesis algorithm, i.e., the orthogonal vector approach. The practical issues in digital DM system calibrations are described and solved. The bit error rates (BERs) are measured via real-time data transmissions to illustrate the DM advantages, in terms of secrecy performance, over conventional non-DM beam-steering transmitters.

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.

Cooperative communications in multi-rate IEEE 802.11 networks

Esta tese apresenta um estudo sobre alguns dos protocolos de cooperação MAC para redes sem fios utilizando o sistema IEEE 802.11 multi-débito. É proposto um novo modelo de arquitetura para a categorização e análise da cooperação em redes sem fios, tendo este modelo sido aplicado a protocolos cooperativos existentes para camada MAC. É investigado como as características do meio físico, assim como os requisitos de níveis superiores podem ser aplicados ao processo de cooperação, com vista a melhorar as características de funcionamento da rede de comunicações. Para este propósito são exploradas as métricas mais relevantes para o processo de cooperação. São igualmente estudados os limites impostos pelos protocolos da camada MAC e as limitações práticas impostas por protocolos da família de normas que compõem o IEEE 802.11. Neste trabalho foi criada uma métrica multicamada, que permite considerar os requisitos aplicacionais de performance e o tipo de tráfego, assim como a mobilidade dos dispositivos, no funcionamento dos mecanismos de cooperação. Como forma de validação, e para corretamente avaliar o impacto da métrica, um novo protocolo de cooperação foi desenvolvido e implementado. O seu funcionamento é descrito de forma analítica assim como validado através de a um ambiente de simulação. Os resultados obtidos mostram que a utilização de uma métrica multicamada é uma técnica robusta, fornecendo melhorias consistentes no contexto de redes IEEE 802.11. São igualmente demonstradas várias outras características de funcionamento com impacto para as comunicações. Estes dados fornecem uma visão real e encorajadora para a realização de mais pesquisas para a melhoria da performance dos protocolos cooperativos, assim como a sua utilização num variado número de aplicações futuras. No final do documento são apresentados alguns desafios para a continuação da investigação deste tópico.

Reconfigurable transmitters for software-defined radios

Flexible radio transmitters based on the Software-Defined Radio (SDR) concept are gaining an increased research importance due to the unparalleled proliferation of new wireless standards operating at different frequencies, using dissimilar coding and modulation schemes, and targeted for different ends. In this new wireless communications paradigm, the physical layer of the radio transmitter must be able to support the simultaneous transmission of multi-band, multi-rate, multi-standard signals, which in practice is very hard or very inefficient to implement using conventional approaches. Nevertheless, the last developments in this field include novel all-digital transmitter architectures where the radio datapath is digital from the baseband up to the RF stage. Such concept has inherent high flexibility and poses an important step towards the development of SDR-based transmitters. However, the truth is that implementing such radio for a real world communications scenario is a challenging task, where a few key limitations are still preventing a wider adoption of this concept. This thesis aims exactly to address some of these limitations by proposing and implementing innovative all-digital transmitter architectures with inherent higher flexibility and integration, and where improving important figures of merit, such as coding efficiency, signal-to-noise ratio, usable bandwidth and in-band and out-of-band noise will also be addressed. In the first part of this thesis, the concept of transmitting RF data using an entirely digital approach based on pulsed modulation is introduced. A comparison between several implementation technologies is also presented, allowing to state that FPGAs provide an interesting compromise between performance, power efficiency and flexibility, thus making them an interesting choice as an enabling technology for pulse-based all-digital transmitters. Following this discussion, the fundamental concepts inherent to pulsed modulators, its key advantages, main limitations and typical enhancements suitable for all-digital transmitters are also presented. The recent advances regarding the two most common classes of pulse modulated transmitters, namely the RF and the baseband-level are introduced, along with several examples of state-of-the-art architectures found on the literature. The core of this dissertation containing the main developments achieved during this PhD work is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art presented here consists in the development of a novel ΣΔ-based all-digital transmitter architecture capable of multiband and multi-standard data transmission in a very flexible and integrated way, where the pulsed RF output operating in the microwave frequency range is generated inside a single FPGA device. A fundamental contribution regarding the simultaneous transmission of multiple RF signals is then introduced by presenting and describing novel all-digital transmitter architectures that take advantage of multi-gigabit data serializers available on current high-end FPGAs in order to transmit in a time-interleaved approach multiple independent RF carriers. Further improvements in this design approach allowed to provide a two-stage up-conversion transmitter architecture enabling the fine frequency tuning of concurrent multichannel multi-standard signals. Finally, further improvements regarding two key limitations inherent to current all-digital transmitter approaches are then addressed, namely the poor coding efficiency and the combined high quality factor and tunability requirements of the RF output filter. The followed design approach based on poliphase multipath circuits allowed to create a new FPGA-embedded agile transmitter architecture that significantly improves important figures of merit, such as coding efficiency and SNR, while maintains the high flexibility that is required for supporting multichannel multimode data transmission.

Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.

All-optical routing functionalities

All-optical solutions for switching and routing packet-based traffic are crucial for realizing a truly transparent network. To meet the increasing requirements for higher bandwidth, such optical packet switched networks may require the implementation of digital functions in the physical layer. This scenario stimulated us to research and develop innovative high-speed all-optical storage memories, focusing mainly on bistables whose state switching is triggered by a pulsed clock signal. In clocked devices, a synchronization signal is responsible for controlling the enabling of the bistable. This thesis also presents novel solutions to implement optical logic gates, which are basic building blocks of any processing system and a fundamental element for the development of complex processing functionalities. Most of the proposed schemes developed in this work are based on SOA-MZI structures due to their inherent characteristics such as, high extinction ratio, high operation speed, high integration capability and compactness. We addressed the experimental implementation of an all-optical packet routing scheme, with contention resolution capability, using interconnected SOAMZIs. The impact on the system performance of the reminiscent power of the blocked packets, from the non ideal switching performed by the SOA-MZIs, was also assessed.

Ensaios avançados com fibras ópticas = advanced characterization of optical fibers

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Static-priority scheduling over wireless networks with multiple broadcast domains

We propose a wireless medium access control (MAC) protocol that provides static-priority scheduling of messages in a guaranteed collision-free manner. Our protocol supports multiple broadcast domains, resolves the wireless hidden terminal problem and allows for parallel transmissions across a mesh network. Arbitration of messages is achieved without the notion of a master coordinating node, global clock synchronization or out-of-band signaling. The protocol relies on bit-dominance similar to what is used in the CAN bus except that in order to operate on a wireless physical layer, nodes are not required to receive incoming bits while transmitting. The use of bit-dominance efficiently allows for a much larger number of priorities than would be possible using existing wireless solutions. A MAC protocol with these properties enables schedulability analysis of sporadic message streams in wireless multihop networks.

A comprehensive simulation study of slotted CSMA/CA for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks

In this paper, we analyze the performance limits of the slotted CSMA/CA mechanism of IEEE 802.15.4 in the beacon-enabled mode for broadcast transmissions in WSNs. The motivation for evaluating the beacon-enabled mode is due to its flexibility for WSN applications as compared to the non-beacon enabled mode. Our analysis is based on an accurate simulation model of the slotted CSMA/CA mechanism on top of a realistic physical layer, with respect to the IEEE 802.15.4 standard specification. The performance of the slotted CSMA/CA is evaluated and analyzed for different network settings to understand the impact of the protocol attributes (superframe order, beacon order and backoff exponent) on the network performance, namely in terms of throughput (S), average delay (D) and probability of success (Ps). We introduce the concept of utility (U) as a combination of two or more metrics, to determine the best offered load range for an optimal behavior of the network. We show that the optimal network performance using slotted CSMA/CA occurs in the range of 35% to 60% with respect to an utility function proportional to the network throughput (S) divided by the average delay (D).

Implementation of Reed-Solomon RS (255,239) Code

In this paper the construction of Reed-Solomon RS(255,239) codeword is described and the process of coding and decoding a message is simulated and verified. RS(255,239), or its shortened version RS(224,208) is used as a coding technique in Low-Power Single Carrier (LPSC) physical layer, as described in IEEE 802.11ad standard. The encoder takes 239 8-bit information symbols, adds 16 parity symbols and constructs 255-byte codeword to be transmitted through wireless communication channel. RS(255,239) codeword is defined over Galois Field GF and is used for correcting upto 8 symbol errors. RS(255,239) code construction is fully implemented and Simulink test project is constructed for testing and analyzing purposes.

Data Communications for Engineers

Written for communications and electronic engineers, technicians and students, this book begins with an introduction to data communications, and goes on to explain the concept of layered communications. Other chapters deal with physical communications channels, baseband digital transmission, analog data transmission, error control and data compression codes, physical layer standards, the data link layer, the higher layers of the protocol hierarchy, and local are networks (LANS). Finally, the book explores some likely future developments.