Simultaneous transmission based communication techniques
Eş zamanlı ̇iletime dayalı haberleşme sistemleri ̇
- Tez No: 639347
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT, DOÇ. DR. ENVER ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Geleneksel haberleşme sistemlerinde, haberleşmenin iki uç arasında olduğu varsayılır. Harici işaretlerin bu uçlardan gönderilen işaretler ile girşimi gürültü olarak değerlendirilir ve istenmeyen bir durumdur. Son 20 yılda, bu düşüncenin aksine, eş zamanlı iletime izin veren ve işaretler arası girişimi kasten kabul eden çalışmalar yapılmıştır. Ortak kaynak-kanal kodlama (Joint source-channel coding) ve hesaplamalı kodlar (computation codes), aynı zaman ve frekans aralığında iletime izin veren ve bu durumdan faydalanan ilk paradigmalardır. Ortak kaynak-kanal kodlama daha sonra eş zamanlı iletimin ağ kodlama (network coding), oy birliği (consensus) algoritmaları, dağınık tespit (distributed detection) algoritmaları, makina öğrenmesi (machine learning) gibi bir çok alanda kullanılmasına öncülük etmiştir. Bu tezde de, eşzamanlı iletim teknikleri (simultaneous transmission techniques) incelenmiş ve iki özgün güvenlik methodu (security methods) tanıtılmıştır. Tezi oluşturan bölümleri iki başlık altında değerlendirmek mümkündür. Tezin ilk kısmında, işaretlerin girişiminden faydalanan literatürdeki çalışmaların kapsamlı bir haritası sunulmuştur. Çalışmalar; hedeflerine ve uygulama alanlarına göre derlenmiş, sonrasında literatüre katkıları, başarım kriterleri ve benzeri detaylarla birlikte tanıtılmışlardır. Böylece bu tezde, eşzamanlı iletimin dağınık ve telsiz ağlara alışılagelmiş yöntemlerin aksi bir yapı ile; ölçeklenebilirlilik, güvenlik, enerji verimliliği, daha az gecikme süresi ve daha az karmaşıklık kazandırabileceği ortaya koyulmuştur. Özellikle nesnelerin interneti (IoT), kısıtlı kaynaklara sahip düğümlerden oluşan büyük ağlardaki çok sayıda düğümü destekleyebilmek için sıradışı yöntemlere açık bir oluşumdur. Bu sebeple eş zamanlı iletime dayalı yöntemler nesnelerin interneti uygulamalarında verimliliği artırmak adına büyük fırsatlar sunmaktadır. Ayrıca; nesnelerin internetinin yaygınlaşmasıyla birlikte telsiz ve dağınık ağların kaçınılmaz olduğu ve bu sebeple eşzamanlı iletimin öneminin artacağı aşikardır. Eşzamanlı iletime dayalı çalışmaların, literatürde birçok telsiz haberleşme uygulamasında var olduğu görülmektedir. Ancak bu çalışmaların literatürdeki yaygınlığı ve popüleritesi oldukça kısıtlıdır. Eş zamanlı iletimin izin verildiği en bilinen uygulama alanı olarak çoklu erişim (multiple access) amaçlı yöntemler gösterilebilir. Bu alandaki Code Division Multiple Access (CDMA), Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) gibi yöntemler literatürde kabul görmüştür; ancak bu yöntemler işaretlerin birleşiminden doğrudan faydalanmamaktadır. Bir ağ kodlama yöntemi olan Compute and Forward (CPF), çoklu erişim yöntemlerinden sonra bilinirliği en yüksek eş zamanlı iletim yöntemi olarak gösterilebilir. Bu yöntem özellikle ağ kodlama amacı ile literatüre sunulmuş olsa da güvenlik ve çoklu erişim amaçları için de genişletilmiştir. Kanalda hesaplama (Computation over MAC, CoMAC) ise bir diğer popüler eş zamanlı iletim uygulama alanıdır. Bu alanda yapılan çalışmalar başka bir çok uygulama alanı için genişletilmiştir. Analog fonksiyon hesaplama (Analog Function Computation, AFC) yöntemleri özellikle consensus uygulamalarında (bu uygumalarda kullanıcıların bir değer üzerinde hem fikir olması amaçlanmaktadır), federated learning uygulamalarında (kullanıcıların dağınık olduğu ağlarda özelleşen makine öğrenmesi yöntemleridir) ve spectrum sensing uygulamalarında (kanalda birincil kullanıcıların kullanmadığı frekansların tespit edilerek ikincil kullanıcılara atanması ve frekanstan tarassufu edilmesi amaçlanmaktadır) kullanılmıştır. Bu tez içerisinde eş zamanlı iletimin kullanıldığı uygulamalar ve bu uygulama alanlarındaki literatürde bulunan çalışmalar detaylı bir şekilde incelenmiş ve gruplandırılmıştır. Bu inceleme sonucunda elde edilen fikirler, eş zamanlı iletimin desteklendiği iki güvenlik sistemine esin kaynağı olmuştur. Özellikte kanalda hesaplama çalışmalarının genişletilmesi sonucu elde edilen bu yöntemler, eş zamanlı iletimin güvenlik uygulamalarındaki kullanılabileceğini göstermektedir. İkinci kısımda, çok kullanıcılı ağlar için bir kimlik doğrulama (authentication) yöntemi ve bir anahtar oluşturma (key generation) yöntemi sunulmuştur. Bu yöntemler, fonksiyonları havada (kanalda) hesaplayarak alıcının iş yükünü azaltan analog fonksiyon hesaplama (AFC) çalışmalarından esinlenmiştir. AFC yöntemleri temelde, alıcı ve verici uçlarda işaret işleme kullanarak kanalın sönümlemesini (fading) tersine çevirip kanal modelini toplama işlemi ile eşleştirmeye (matching) dayalıdır. Sonrasında işaret işleme tekniği ilerlerilerek başka fonksiyonların hesaplanması da mümkündür. Ancak mevcut AFC yöntemlerinde, gönderilen bireylsel verilere alıcıda ulaşmak mümkün değildir. Alıcı sadece iletilen bilginin bir fonksiyonuna erişmektedir. Kimlik doğrulama yönteminde, bu verilere alıcı tarafında tek tek ulaşılmasını sağlayan, hatta vericilerin kimliğinin doğrulanmasını mümkün kılan bir işaret işleme şeması geliştirilmiştir. Bu amaçla, işaret işleme şemasında Gauss asal (prime) sayıları kullanılmıştır. Ön-işlem fonksiyonları (pre-processing functions), iletilecek bilgileri işaretlerin genliklerine logaritmik formda kodlamaktadır. Ayrıca mesajlar, her düğüm için özel olan asal kimliklerin (identifier) üsteli şeklinde kodlanmaktadır. İşaretler eş zamanlı gönderildiği için kanalda birleşmiş (superimposed) olsa da, asal kimlikler sayesinde bireysel mesajların alıcıda tek tek elde edilmesi mümkündür. Ayrıca, asal sayılar ve kanalın sönümlemesi sonrasında sahte işaretlerin tespit edilmesini (spoofing detection) de sağlamaktadır. Başarılı bir tespit için saldırganın resmi kullanıcılardan daha büyük kanal kestirim hatasına (channel estimation error) sahip olduğu varsayılmaktadır. Bu yöntemin bilgisayar ortamında benzetimlerle işaret hata oranı (symbol error rate, SER), alıcı çalışma karakteristiği (receiver operating characteristics, ROC) eğrileri oluşturulmuş ve uygulanabilirliği sınanmıştır. Anahtar üretme yönteminde ise, çok kullanıcılı ağların anahtar üretme sürecindeki zaman ve bant genişliği verimliliği artırılmış; ayrıca merkezi bir düğüme (veya harici bir üçüncü partiye) olan ihtiyaç ortadan kaldırılmıştır. Anahtar üretim yöntemi, kanal modelini kimlik doğrulama yöntemine benzer bir şekilde ön ve son işlem fonksiyonları ile değiştirmektedir. Ancak bu sefer kanal, her bir düğümde ortak anahtar oluşturacak bir fonksiyon ile eşlenmiştir. Üretilen anahtarın, her düğümden bileşenler içerdiği varsayılmıştır ve yarı çift yönlü ve tam çift yönlü iletişim senaryoları için incelenmiştir. Yarı çift yönlu iletimde, anahtar parçaları ön-işlem fonksiyonundan geçirilim eş zamanlı şekilde iletilmektedir. Buradaki ön-işlem fonksiyonu, gönderilen işaretlerin sadece hedeflenen alıcıda anlam ifade etmesini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bir alıcıda anahtar oluşmasını sağlayan bu yöntemin tüm düğümler için tekrar edilmesi ile tüm düğümlerin aynı anahtara sahip olduğu bir ağ elde edilmesi mümkündür. Bu yöntem sayesinde gizli dinleyicilerin anahtarı doğru bir şekilde elde etmesi engellendiği gibi, merkezi bir düğümün varlığına olan gereksinim de ortadan kaldırılmaktadır. Yarı çift yönlü iletimin uygulanabilirliği ve hata performansı benzetimlerle incelenmiştir. Elde edilen hata oranları yarı çift yönlü iletime dayalı anahtar üretim yönteminin uygulanabilirliğini göstermiştir. Sunulan yöntemin ideal olmayan durumlardaki uygulanabilirliğinin sınanması ve performansının incelenmesi için benzetimler genişletilmiştir. Öncelikle sadece gürültünün bulunduğu senaryoda, elde edilen anahtarın gerçek anahtardan sapması MSE (Mean Squared Error) kullanılarak hesaplanmıştır. Sonrasında anahtar üretim başarımını iyileştirmek için alıcılara kod çözme işlemi eklenmiştir. Alınan işaretlerin en yakın olası noktaya eşlendiği bu kod çözme sayesinde performans metriği olarak hata olasılığına geçilmiştir. Kod çözmeli durum için, öncelikle gizli dinleyicinin kanalının gerçek alıcının kanalından farklı olduğu gerçekçi senaryo benzetimler ile incelenmiştir. Bu senaryoda alıcının yüksek SNR değerlerinde hata oranını düşürebildiği görülürken, gizli dinleyicinin hata olasılık alt sınırının $\% 50$'nin olduğu görülmüştür. Sonrasında, resmi vericilerin kanal kestirim hatası yaptığı senaryo hesaba katılmış ve kanal kestirim hatasının anahtar üretim performansı üzerine etkisi incelenmiştir. İnceleneme sonucunca kanal kestirim hatasının hem resmi alıcı için hem de gizli dinleyici için yıkıcı bir etkiye sahip olduğu görüşmüştür. Tam çift yönlü iletim senaryosunda ise tüm düğümlerin eş zamanlı iletim yaptığı ve kanalı dinlediği varsayılmıştır. Bu senaryoda, tek bir eş zamanlı iletim ile tüm düğümlerde aynı gizli anahtarı üretmek mümkündür. Tek bir denklem içerisinden (tek bir iletişim ile) çok sayıda kullanıcı için gizli anahtar üretiminin ancak çoklu-doğrusal haritalar (multi-linear maps) ile mümkün olacağı literatürde gösterilmiştir. Ancak daha çoklu-doğrusal harita şartlarını sağlayabilen bir fonksiyonun varlığı tespit edilmemiştir. Tam çift yönlü senaryoda ise, düğümlerin kanal ile etkileşimi metamatiksel olarak çoklu-doğrusal haritaların gereksinimlerini sağlamaktadır. Böylece tek iletişimde (tek bir denklem ile) tüm düğümlerin gizli anahtara sahip olması sağlanmaktadır. Bu durumda telsiz kanal doğal bir çoklu-doğrusal harita işlevi görmektedir veya bir başka deyişle telsiz kanal işaret işleme kullanılarak çoklu-doğrusal haritaya eşlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Any interference between two communicating point is regarded as unwanted noise in conventional communication networks, since it distorts the received signal. In the last two decades, allowing simultaneous transmission and intentionally accepting the interference of signals has been taken into consideration as opposed to the conventional perspective. Joint source-channel coding and the computation codes are one of the first paradigms that allow simultaneous transmission at the same time and frequency and benefit from it. Joint source-channel coding later inspired many other fundamental work from network coding to consensus algorithms, from distributed detection applications to the emerging machine learning. In this thesis, the simultaneous transmission techniques are investigated and two security methods are proposed based on the simultaneous transmission. The chapters of this thesis can be placed under two titles. In the first part, the readers will find a thorough map of the wireless communication literature that benefits from the superposition of signals. The studies are grouped together depending on their purpose and application area. Later, they are presented along with the details such as their contributions and performance metrics. These studies show that the simultaneous transmission can bring scalability, security, low-latency, low-complexity and energy efficiency for certain wireless distributed networks. This part of the thesis emphasizes how the physical layer can be beneficial for unconventional network structures. Especially, the internet of things (IoT) requires unconventional designs to support large networks where the nodes are often resource limited. Simultaneous transmission-based techniques show great opportunities in these scenarios. Also, the attention on the simultaneous transmission applications is expected to grow larger since the application areas of the IoT are constantly spreading. In the second part, an authentication method and a key generation method is presented for multi-user networks. These methods are inspired by the analog function computation (AFC) studies that reduce the computational load of the receiver by computing functions over the air. In essence, AFC methods use signal processing at the transmitters and receivers to invert the fading effect such that the channel model matches with summation operation. After this point, the signal processing is extended to compute any other function. However, existing AFC methods always lose the individual channel inputs over the channel and the receiver only obtains a function of these inputs. In the authentication method, a novel signal processing is developed to harness the individual data from the channel and authenticate it against spoofers. For this purpose, Gaussian prime integers are involved in the signal processing. The pre-processing function encodes the messages at the signal amplitudes in the logarithmic forms. Also the messages are encoded as the exponents of the Gaussian prime“identifiers”which is unique to each user. These prime identifiers enable the extraction of individual data from the superimposed signals. Gaussian primes and the fading ensure the detection of spoofing attacks. For a successful detection, the spoofer is assumed to have larger channel estimation error than the legitimate users. The symbol error rate (SER) and the receiver operating characteristics (ROC) are investigated with simulations in order to verify the feasibility of the proposed approach. In the key generation method, time and bandwidth efficiency of multi-user networks are improved and their dependency on a center node (or an external third party) is removed. Similar to the authentication method, channel model is adjusted with pre and post processing functions. However in this model, the channel is matched with a key generating function that outputs a shared key at each node. The key is assumed to be the combination of multiple key components that are taken from each node. Half duplex and full duplex communication scenarios are considered for the key generation purpose. In the half-duplex scenario, key components are pre-processed and simultaneously transmitted. The pre-processing functions make sure that only the targeted receiver obtains the meaningful information after post-processing. Repeating this process for every node completes the key generation process without leaking the key to the eavesdroppers. This scenario especially removes the dependency on a center node which is required in many traditional method to distribute prior information to each node. This scenario is investigated with simulations and the error probability results are presented. Moreover, the full-duplex scenario is considered where each node simultaneously transmits and receives key components. This model manages to provide a secret key to multiple nodes in a single communication.
Benzer Tezler
- Advanced non-orthogonal and deep learning based communication techniques for future wireless communication systems
Gelecekteki kablosuz iletişim sistemleri için gelişmiş ortogonal olmayan ve derin öğrenme tabanlı iletişim teknikleri
MUHAMMAD FURQAN ZIA
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAntalya Bilim ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. JEHAD MAHMOUD AMIN HAMAMREH
- Uzaysal modülasyonda enerji hasatlama
Energy harvesting in spatial modulation
SAFA ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- New combined non-orthogonal multiple access techniques for wireless networks
Telsiz iletişim ağları için yeni birleşik dik olmayan çoklu erişim teknikleri
SEDA ÜSTÜNBAŞ GAVAS
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- Digital self-interference cancellation in full-duplex wireless systems
Tam çift yönlü kablosuz haberlesme sistemleri için sayısal özgirisim giderimi
MUHAMMAD SOHAIB AMJAD
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR GÜRBÜZ ÜNLÜYURT
PROF. DR. İBRAHİM TEKİN
- Çok kullanıcılı çok antenli telsiz haberleşme sistemlerinin uygulamaları
Multi user multi antenna applications of radio communication systems
LÜTFULLAH ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİHA BÜYÜKÇORAK EDİBALİ