Geri Dön

Cooperative vehicular communication systems with physical layer security and noma techniques

Fiziksel katman güvenliği ve noma teknikleri ile işbirliklikli araçlar arası iletişim sistemleri

PDF İndir

  1. Tez No: 656727
  2. Yazar: SEMİHA KOŞU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA, DR. SERDAR ÖZGÜR ATA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 91

Özet

Son yıllarda, mobil iletişim sistemlerinin gelişmesiyle birlikte, bireysel kullanıcılar için daha yüksek bant genişlikleri ve daha yüksek veri hızları gerektirmektedir. Öte yandan, yeni nesil kablosuz iletişimde (5G+), akıllı şehirlerin de ortaya çıkmasıyla birlikte çok sayıda otonom araç ve altyapının birbirine bağlaması beklenmektedir. Bu sayısız bağlantının yanı sıra, yeni nesil kablosuz iletişimin de gerekliliği olan, ultra güvenilir ve düşük gecikmeli iletişim (URLLC) sağlamalıdır. Literatürde araçtan araca (V2V) ve araçtan her şeye (V2X) iletişim sistemlerinde, sistem performansını inceleyen çalışmalar bulunmaktadır. Araçlar arası ortamlar, diğer geleneksel mobil ortamlara kıyasla, araçların yüksek hareket kabiliyeti nedeniyle daha düşük anten yükseklikleri, maliyet ve donanım karmaşıklıkları gerektirir. Dahası, araçlar arası sistemlerdeki sönümleme ortamları, literatürdeki sabit kullanıcıların sönümleme ortamlarından farklıdır. Ayrıca, bu araçlar arası sönümleme ortamı, geleneksel sönümleme ortamındaki kanalların çarpımı olarak varsayılmış olup kaskat kanal modeli adı verilmiştir. Bu nedenle, kaskat kanal modelinin genel sistem performansı üzerinde olumsuz bir etkisi vardır. Bununla birlikte, literatürde V2V sistem performansını iyileştirmek için bazı teknikler kullanılmıştır. İşbirliğine dayalı iletişim ve alıcıda çeşitleme teknikleri, araçlar arası iletişim sistemleri için potansiyel bir çözüm olarak kabul edilir. İşbirlikli iletişimde araçlar birbirine yeterince yakın olmadığında, kaynaktan iletilen işaretin kapsama alanını artırmak için sinyal röle düğümleri üzerinden iletilir. Öte yandan, kullanıcılara yönelik veri hızlarını artırmak için, çoklu anten sistemleri alıcıdaki sinyalleri birleştirmek için kullanılır. Alınan işaret-gürültü oranını (SNR) maksimize ederek optimum sonuca ulaştıran alıcıda çeşitleme tekniği, hedefte alınan tüm SNR'ların toplamına karşılık gelen maksimum oranlı birleştirme (MRC) tekniği olarak kabul edilir. Böylelikle tek anten kullanımına göre sistem performansı iyileştirilmiş ve röle yardımı ile kaynak düğümün kapsama alanı artırılmıştır. Ayrıca röle, kaynağın bilgisini iletirken farklı aktarma tekniklerini kullanabilir. Çöz-ve-aktar (DF) tekniğinde, gönderilen işaret ilk önce rölede çözülür ve ardından hedef düğüme iletilir. Yükselt-ve-ilet (AF) aktarma tekniğinde ise rölede alınan işaret yükseltilerek, ardından hedefe iletilir. Ayrıca, bu iletim tekniğinde dezavantaj olarak, kaynaktan alınan işaret çözülmediğinden, gürültü bileşeni de güçlendirilerek hedefe gönderilir. Bu tezde, tüm sistem düğümlerinin hareketli olduğu varsayılarak, DF ve AF röle iletim stratejilerinin bir karşılaştırması incelenmiştir. Ayrıca, tüm araç bağlantıları arasındaki kanallar, kaskat Rayleigh olarak belirlenmiştir. Buna ek olarak röle, kaynak ve hedef arasına eşit mesefade ve doğrusal olarak yerleştirildiği varsayılmıştır. Ayrıca, röle çoklu anten sistemi ile donatılmıştır ve MRC tekniğini uygulamaktadır. Sonuçlar, artan SNR değerlerine göre bit hata olasılığı (BEP) cinsinden hesaplanmıştır. Buna göre artan anten sayısı, hem AF hem de DF aktarma stratejileri için sistem performansını iyileştirmiştir. Sonuç olarak, elde eldilen matematiksel ifadelerin Monte-Carlo benzetim sonuçlarıyla tutarlı olduğu da gösterilmiştir. Son yıllarda mobil cihazların sayısının muazzam artışıyla birlikte, mobil düğümlerin sürekli yayın yapma özelliği sistemde güvenliğin sağlanması için önemli bir sorun haline gelmiştir. Bu nedenle, bilgiler gizli dinleyiciler için bile kullanılabilir hale gelebilir. Açık sistem ara bağlamı (OSI) modelinde, fiziksel katman ilk sırada yer aldığından dolayı burada güvenliğin sağlanması ve diğer katmanlara güvenli bilginin iletilmesi açısından önemlidir. İşaret karıştırıcı ve gizli dinleyici, literatürde araştırılan iki ana fiziksel katman saldırı tipidir. İşaret karıştırıcı saldırılarında, sinyal bozucu kasıtlı olarak bir gürültü üretir ve bu da hedefte alınan işaretin bozulmasına neden olur. Ancak, gizli dinleme saldırılarında, gizli dinleyici, hedefe iletilen gizli bilgileri yakalar. Tüm saldırı türlerinde ise genel sistemin gizlilik kapasitesi azalır. Bu arada, sistemsel güvenlik performansı artırmaya odaklanan fiziksel katman güvenliği (PLS) teknikleri literatürde çalışılmaktadır. Örnek olarak, gizli anahtar üretimi, bir PLS tekniğidir ve kanalların rastgeleliğini kullanarak sistem güvenliğini arttırmaktadır. Bu yöntemde, yasal olmayan kullanıcılar arasındaki kanal durum bilgisine dayalı olarak bir gizli anahtar üretilir. Yasal olmayan kullanıcı anahtarı tahmin edemediği için yüksek güç kullanarak iletilen işarete erişmeye çalışsa bile veriler gizli tutulur. Bu tezde, gerçekçi bir senaryo oluşturulmak istendiğinden, çoklu antenlerle donatılmış gizli dinleyicinin, alıcıda çeşitleme yöntemi olan MRC tekniğini uygulayarak araçlar arası iletişim sisteminde hem kaynaktan hem de röleden gönderilen bilgileri dinlediği varsayılmıştır. Tüm mobil düğümler arasındaki kanal modeli ise kaskat Rayleigh sönümlemeli kanal olarak belirlenmiştir. Bu sistemdeki gizlilik kapasitesi, gizli dinleyicinin kapasitesinin alıcı düğümün kapasitesinden çıkarılarak hesaplanmaktadır. Değerlendirme kriteri olarak öncelikle gizlilik kesinti olasılığı (SOP) hesaplanmıştır. SOP, sistem gizlilik kapasitesinin belli bir eşik değerinin altına düştüğü zamanki ifadesini vermektedir. Ayrıca anlık gizlilik kapasitesinin her zaman sıfırdan büyük olduğu anlamına gelen pozitif gizlilik kapasitesi (PPSC) olasılığı hesaplanmıştır. Sistem performansı incelendiğinde, gizli dinleyicin alıcı anten sayısı arttığında SOP'un arttığı ve PPSC'nin ise azaldığı gözlemlenmiştir. Son olarak teorik analizleri Monte-Carlo benzetimleri ile doğrulanmıştır. Kablosuz iletişim ağlarında, frekans bölmeli çoklu erişim (FDMA), zaman bölmeli çoklu erişim (TDMA) ve kod bölmeli çoklu erişim (CDMA) gibi birkaç çoklu erişim yöntemi dikkat çekmektedir. Bu dikgen çoklu erişim (OMA) teknikleri aynı kaynağı paylaşırlar ve birden fazla kullanıcının frekans, zaman veya koda göre sınırlı bir spektrumda aynı anda çalışmasına izin verirler. Diğer bir deyişle, bu tekniklerde, mobil kullanıcılar aynı anda sınırlı miktardaki frekans bandına erişebilirler. Bununla birlikte, kullanıcıların yüksek veri hızlarına ulaşması ve sınırlı sayıda kaynak kullanımı nedeniyle, yeni nesil kablosuz ağlarda spektrum yoksunluğu ile karşı karşıya kalınmaktadır. Bu noktada, dikgen olmayan çoklu erişim (NOMA) tekniği, yüksek spektral verimlilik sağlaması ve kullanıcılar arası adaleti sağlaması açısından gelecekteki kablosuz ağlar için umut verici bir teknoloji olabilir. NOMA'nın temel konsepti, kullanıcılara farklı güç tahsis ederek aynı kaynak bloğunda (frekans, zaman ya da kod) çalışmalarını sağlamaktır. Bunun yanı sıra, NOMA güç tabanlı ve kod tabanlı olarak iki kategoride sınıflandırılabilir. Güç tabanlı sınıflandırmada, mevcut kullanıcının sinyali, verici tarafında üst üste bindirilerek ve hedef kullanıcının bu işareti çözmesi için yayınlanır. Gönderilen sinyal, daha iyi kanal kalitesi koşullarına sahip olan güçlü kullanıcıdan başlayarak, ardışık girişim önleme (SIC) yöntemi kullanarak alıcı düğümünde çözülür. Geleneksel OMA tekniklerinden farklı olarak NOMA'da, daha kötü kanal kalitesine sahip zayıf kullanıcılara daha az iletim gücü tahsis edilirken, daha iyi kanal kalitesine sahip güçlü kullanıcılara daha fazla iletim gücü tahsis edilir. Bu güç tahsisi, sistemin hizmet kalitesi ile kullanıcılar arasındaki adaleti önemli ölçüde telafi etmeye çalışır. Bu tezde, işbirlikli ve güç tabanlı aşağı bağlantılı NOMA sistemi incelenmiştir. Baz istasyonu (BS), röle (R) aracı vasıtasıyla hedef düğümdeki iki araç ile iletişim kurar ve yarı çift yönlü (HD) modda çalışır. Ayrıca, R, AF iletim tekniğini uygulayarak kaynağın sinyalini hedefe iletir. Hem R hem de kullanıcılar yüksek mobiliteye sahip olduğundan, BS $\to$ R arasına karşılık gelen kanal Rayleigh dağılımına maruz kalırken, R ile hedef kullanıcılar arasındaki kanal çift Rayleigh dağılımı olarak kabul edilmiştir. Her kullanıcı için iletilen sinyaller üst üste bindirildiğinden, SIC yöntemi bu sinyallerin hedef kullanıcılarda çözülmesine yardımcı olur. Burada, zayıf kullanıcının sinyalinin güçlü kullanıcının kanalında doğru bir şekilde çözüldüğü varsayılmıştır. Diğer bir deyişle SIC tekniği kusursuz bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, sistem performansı, tam kesinti olasılığı ve ergodik kapasite açısından değerlendirilmiştir. Her iki analizde de sonuçlar, kullanıcılar için farklı sistem parametreleri (güç tahsisi, mesafe ve BS'nin iletim gücü) kullanılarak değerlendirilmiştir. Ayrıca genel sistem performansı da dikkate alınmıştır. Son olarak, sayısal sonuçlar Monte-Carlo benzetim sonuçları ile uyumluluk göstermiştir.

Özet (Çeviri)

In recent years, with mobile communication systems development, higher bandwidths and higher data rates are required for individual users. Moreover, in the next-generation wireless communications (5G+), with the emergence of smart cities, many autonomous vehicles and infrastructures are expected to connect. In addition to these numerous connections, it must provide ultra-reliable and low-latency communication (URLLC), which is also necessary for next-generation wireless communications. There are studies examining system performance in vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-everything (V2X) communication systems in the literature. The inter-vehicle environment requires lower antenna heights, cost, and hardware complexities due to the high mobility of vehicles compared to other traditional mobile environments. Also, fading environments in inter-vehicle systems are different from those of stationary users in the literature. Besides, this inter-vehicle fading medium is assumed to be the product of channels in the conventional fading medium and is called the cascade channel model. Therefore, the cascade channel model has an adverse effect on overall system performance. However, some techniques have been studied in the literature which improves V2V system performance. Cooperative communications and receive diversity techniques are considered as a potential solution for inter-vehicle communication systems. When vehicles are not close enough to each other, the signal may be transmitted over relay nodes, increasing the source coverage area enabling cooperative communications. On the other hand, multiple antenna systems are used to combine signals in the receiver to increase the reliability of the system. The diversity technique at the receiver, which reaches the optimum result by maximizing the received signal-to-noise ratio (SNR), is considered to be the maximum ratio combining (MRC) technique that corresponds to the sum of all SNR values received at the destination. Thus, system performance is improved compared to the use of a single antenna, and the coverage area of the source node is increased with the help of a relay. Also, the relay can use different transmission protocols while transmitting the information of the source. In the decode-and-forward (DF) relaying protocol, the transmitted signal is decoded in the relay first, and then an estimated version of symbol is transmitted to the target node. In the amplify-and-forward (AF) relaying protocol, the signal received on the relay is amplified and then transmitted to the destination. Unlike DF relaying protocol, the noise component is also amplified and sent to the destination in this transmission technique as a disadvantage. In this thesis, a comparison of DF and AF relaying protocols are studied, assuming that all nodes are mobile in the system. Also, the channels between all vehicle nodes are designated as cascade Rayleigh fading. It is also assumed that the relay is placed co-linearly and with equal distance between source and destination. Moreover, the relay is equipped with a multi-antenna and applies the MRC technique. Results are provided in terms of bit error probability (BEP) versus SNR values. Accordingly, the increasing number of antennas have improved system performance for both AF and DF relaying protocols. As a result, it is shown that the obtained mathematical expressions are consistent with the Monte-Carlo simulation results. With the tremendous increase in mobile devices in recent years, the continuous broadcast feature of mobile nodes has become a fundamental problem for ensuring security in the system. Therefore, information can become available even to illegitimate listeners. In the open system interconnection (OSI) model, as the physical layer is critical, it is crucial to provide security and transmitting secure information to other layers. Jammer and eavesdropper are the two main types of physical layer attacks studied in the literature. In jamming attacks, the jammer deliberately generates a noise, causing the received signal to be distorted at the destination. However, in eavesdropping attacks, the eavesdropper intercepts the confidential information transmitted to the destination. In all types of attacks, the secrecy capacity of the general system decreases. However, physical layer security (PLS) techniques focusing on increasing system security performance are studied in the literature. For instance, a secret key generation is a PLS technique that increases system security by using the randomness of channels. In this method, the secret key is generated based on the channel state information (CSI) between the legitimate users. Therefore, the data is kept confidential since the illegal user fails to predict the key, even empowering them with high power. In this thesis, the eavesdropper is equipped with multiple antennas for a realistic scenario and applies the MRC technique. Moreover, the eavesdropper receives the broadcasted information from both source and relay in the proposed vehicular communication system. The channel models between all mobile nodes are assumed as the cascade Rayleigh fading channel. The secrecy capacity in this system is calculated by subtracting the eavesdropper's capacity from the destination node's capacity. As an evaluation criterion, the secrecy outage probability (SOP) is calculated first. SOP gives the expression when the secrecy capacity falls below a particular threshold value. Moreover, the probability of positive secrecy capacity (PPSC) means that the instantaneous secrecy capacity is always greater than zero is examined. For system performance, it is observed that when the number of receiver antennas of the eavesdropper increases, SOP increases, and PPSC decreases. Finally, the theoretical analyses of SOP and PPSC are verified by Monte-Carlo simulations. In wireless communication networks, several multiple access methods are drawing attention, such as frequency division multiple access (FDMA), time division multiple access (TDMA), and code division multiple access (CDMA). These orthogonal multiple access (OMA) techniques share the same resource and allow multiple users to work simultaneously in a limited spectrum based on frequency, time, or code. In other words, mobile users can access a limited number of the spectrum simultaneously in these techniques. However, spectrum scarcity is encountered in next-generation wireless networks due to users' need for high data rates and limited resources. At this point, the non-orthogonal multiple access (NOMA) technique could be a promising technology for future wireless networks in terms of providing high spectral efficiency and ensuring fairness between users. The basic concept of NOMA is to allocate different power to users and enable them to work on the same resource block (frequency, time, or code). Besides, NOMA can be classified into two categories, power-domain and code-domain. In power-domain NOMA, the signals of current users are superimposed at the base station (BS) and broadcasted towards the users to decode their signals. The transmitted signal is decoded at the users using the successive interference cancellation (SIC) method, starting from the strong user with better channel quality conditions. Unlike traditional OMA techniques, weak users with poorer channel quality are allocated more transmission power in NOMA, while stronger users with better channel quality are allocated less transmission power. This power allocation can considerably compensate for the trade-off between the quality of service of the system and user fairness. In this thesis, the cooperative power-domain downlink NOMA system is studied. The BS communicates with two vehicles via the relay node and operates in half-duplex (HD) mode. Also, relay transmits the signal of the source to the users by applying the AF relaying protocol. Since both relay and users have high mobility, the channel corresponding to link BS and relay is subjected to Rayleigh fading. In contrast, the channels between relay and users are considered as double Rayleigh fading. Since transmitted signals of each user are superimposed, the SIC method helps to decode these signals. It is assumed that the signal of weak user is correctly decoded on the strong user's channel. In other words, the SIC technique is performed perfectly. Additionally, system performance is evaluated in terms of outage probability and ergodic capacity. In both analyzes, the results are provided using different system parameters (power allocation, distance and transmission power of the BS) for the users. Besides, the overall system performance is also taken into account. Finally, the numerical results are consistent with the Monte-Carlo simulation results.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    679447

    Vehicular visible light communication channel modeling and performance analysis

    Araç görünür ışık haberleşmesi kanal modellemesi ve performans analizleri

    BUĞRA TURAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SİNEM ÇÖLERİ

  2. Tez No

    451153

    Design of vehicular communication systems employing physical layer network coding over cascaded fading channels

    Kaskad sönümlemeli kanallarda fiziksel katman ağ kodlama yapan araçlar arası haberleşme sistemlerinin tasarımı

    SERDAR ÖZGÜR ATA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  3. Tez No

    665558

    İşbirliğine dayalı ortam erişim kontrol protokolü tasarımı ve analizi

    Cooperative medium access control protocol design and analysis

    MUHAMMET ALİ KARABULUT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HACI İLHAN

  4. Tez No

    619782

    Designing and performance analysis of efficient and reliable medium access control protocols for vehicular ad hoc networks

    Araçsal tasarsız ağlar için verimli ve güvenilir ortam erişim kontrol protokollerinin tasarımı ve performans analizi

    A F M SHAHEN SHAH

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HACI İLHAN

  5. Tez No

    245394

    On optimization of wireless multimedia broadcasting

    Kablosuz çoğulortam yayınında eniyileme üzerine

    ÇAĞDAŞ ATICI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. M. OĞUZ SUNAY

Geri Dön