Advanced index modulation techniques for future wireless networks

Soujeri, Ebrahim (2018). Advanced index modulation techniques for future wireless networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In the research study proposed in this Ph.D Thesis, we consider Index Modulation as a novel tool to enhance energy and spectral efficiencies for upcoming 5G networks, including wireless sensor networks and internet of things. In this vein, spatial modulation was proposed to enhance the capacity of wireless systems to partially achieve the capacity of MIMO systems but at lower cost, making it a technique that has attracted significant attention over the past few years. As such, SM schemes have been regarded as possible candidates for spectrum- and energy-efficient next generation MIMO systems.

However, the implementation of the SM is also challenging because of its heavy dependence on channel characteristics, channel correlation, corrupted CSI and the need to have adequate spacing between antennas. Moreover, the SM requires multiple antennas at the transmitter which adds cost to the hardware implementation. In addition, the number of mapped bits in SM is limited by the physical size of the wireless device where only small number of antennas can be used. The switching time wasted by RF antenna switches adds to the complexity of the issue.

In this Thesis, we study the drawbacks of SM in the articles indicated, namely Performance Comparison of Spatial Modulation Detectors Under Channel Impairments that is placed in the Appendix at the end of Thesis as it is a conference paper, and The Impact of Antenna Switching Time on Spatial Modulation that is put in Chapter 1.

In the first article, we have shown that channel impairments have serious impacts on the BER performance and on the capacity of the SM system and that the SM is too sensitive to both imperfect and correlated channels.

In the second article, we have demonstrated that the switching time defined as the time needed by the system to turn off an antenna and turn on another one, which is an inherent property of RF industrial switches used in SM systems, is in the order of nanoseconds and naturally influences the transmission rate of SM systems because of introducing systematic transmission gaps or pauses. Given the speed limitation of practical RF switches in performing transitions, antenna transition-based technologies like SM schemes are capped in terms of data rate performance. In fact, the effective data rate of SM will remain hostage to developments in industrial RF switches. This brings restrictions to the implementation and operation issues when extremely high data rates become a necessity. It is shown by the assemblage of our results that the switching time Tsw which is a requirement for transitions between antennas to happen, dictates restrictions on data rate, capacity and spectral efficiency of SM systems.

Furthermore, we propose baseband non-hardware-based indexing modulation schemes based on frequency-index modulation, coherent chaotic modulation and non-coherent differential chaotic modulation schemes as potential alternatives to SM, that would also fit wireless sensor networks and internet of things applications. In this regard, we have proposed three articles. The first article which represents frequency index modulation is called Frequency Index Modulation for Low Complexity Low Energy Communication Networks and is placed in Chapter 2 of this Thesis.

In this article, we explore a low complexity multi-user communication system based on frequency index modulation that suits Internet of Things (IoT) applications and we show that such a system would constitute an excellent candidate for wireless sensor applications, where it represents a simpler substitution for frequency-hopping (FH) based architectures, in which the hops carry extra bits.

The third article which concerns coherent chaotic modulation is called Design of an Initial-Condition Index Chaos Shift Keying Modulation and is located in Chapter 3.

In this article, an initial condition index chaos shift keying modulation is proposed. This design aims to increase the spectral and energy efficiencies to unprecedented levels. The proposed scheme exploits the initial conditions to generate different chaotic sequences to convey extra bits per transmission. In comparison to rival modulation schemes, the results obtained in the proposed work show a promising data rate boost and a competitive performance. The last article employs a non-coherent differential chaotic shift-key system named Permutation Index DCSK Modulation Technique for Secure Multi-User High-Data-Rate Communication Systems that is found in the Appendix.

In this original design, where each data frame is divided into two time slots in which the reference chaotic signal is sent in the first time slot and a permuted replica of the reference signal multiplied by the modulating bit is sent in the second time slot, we target enhancing data security, energy and spectral efficiencies.

Overall, in light of the high demands for bandwidth and energy efficiencies of futuristic systems, the suggested soft indexing mechanisms are successful candidates with promising results.

Titre traduit

Techniques de modulation d'index pour les systèmes de communication à haut debit de données

Résumé traduit

Dans l’étude de recherche proposée dans cette thèse de doctorat, nous considérons la modulation d’index comme un nouvel outil pour améliorer l’efficacité énergétique et spectrale pour les réseaux 5G à venir, y compris des réseaux de capteurs sans fil et l’Internet des objets. Dans ce sens, la modulation spatiale a été proposée par Mesleh et coll. (2008) pour améliorer la capacité des systèmes sans fil a partiellement atteindre la capacité des Systèmes MIMO mais à moindre coût, ce qui est, en fait, une technique qui a attiré beaucoup d’attention au cours des dernières années. En tant que tels, les systèmes SM ont été considérés comme des candidats possibles pour des systèmes de MIMO de prochaine génération à spectre efficace et à économie d’énergie, c’est-à-dire à faible consommation. Cependant, la mise en oeuvre de la SM est également difficile en raison de sa forte dépendance aux caractéristiques du canal, à la correlation entre des canaux, aux CSI corrompus et à la nécessité d’avoir l’espacement approprié entre les antennes. De plus, le SM nécessite plusieurs antennes à l’émetteur, ce qui ajoute un coût supplémentaire à l’implémentation matérielle. En outre, le nombre de bits mappés dans SM est limité par la taille physique du dispositif connecté au réseau sans fil où seul un petit nombre d’antennes peut être utilisé. Le temps de commutation gaspillé par RF des commutateurs d’antenne ajoute à la complexité du problème.

Dans cette thèse, nous étudions les inconvénients du SM dans les articles indiqués ci-dessous, à savoir « Performance comparison of spatial modulation detectors under channel impairments » placé à l’annexe à la fin de la thèse puisqu’il s’agit d’un document de conférence, et « Impact of antenna switching time on spatial modulation » qui est mis dans le chapitre 1. Dans le premier article, nous avons montré que les dégradations de canaux ont des impacts sérieux sur le BER performances et sur la capacité du système SM et que le SM est trop sensible aux canaux imparfaits et corrélés. Dans le deuxième article, nous avons démontré que le temps de commutation défini comme le temps nécessaire par le système pour éteindre une antenne et activer une autre, qui est une propriété inhérente des commutateurs industriels RF utilisés dans les systèmes SM, est de l’ordre de nanosecondes et naturellement influence le taux de transmission des systèmes SM en raison de l’introduction de lacunes systématiques à la transmission ou des pauses. Compte tenu de la limitation de vitesse des commutateurs RF pratiques lors des transitions, les technologies basées sur de transition d’antenne comme les systèmes SM sont plafonnées en termes de performances de débit de données. En effet, le débit effectif de SM restera l’otage des développements industriels dans le domaine de commutateurs RF. Cela apporte des restrictions aux problèmes de mise en oeuvre et de fonctionnement lorsque les debits de données élevés deviennent une nécessité. Il est démontré par l’assemblage de nos résultats que le temps de commutation Tsw, qui est une condition pour que les transitions entre les antennes se produisent, dicte restrictions sur le débit de données, la capacité et l’efficacité spectrale des systèmes SM. En outre, nous proposons des schémas de modulation d’indexation non basés sur matériels comme modulation d’indice de fréquence, modulation chaotique cohérente et modulation chaotique différentielle non cohérente comme des alternatives potentielles à SM, qui seraient également adaptés aux réseaux de capteurs sans fil et aux applications de l’Internet des choses. À cet égard, nous avons propose trois articles. Le premier article qui représente la modulation d’indice de fréquence est appelé « Frequency index modulation for low complexity low energy communication networks » est placé dans le chapitre 2 de cette thèse. Dans cet article, nous explorons un système de communication multi-utilisateur de faible complexité base sur la modulation d’indice de fréquence qui convient aux applications de l’Internet des choses et nous montrons qu’un tel système constituerait un excellent candidat pour les applications de capteurs sans fil, où il représente une substitution plus simple pour les architectures basées sur le saut de fréquence, dans lesquelles les houblons portent des morceaux supplémentaires.

Le troisième article qui concerne la modulation chaotique cohérente est appelé « Design of an initial condition index chaos shift keying modulation » et se trouve au chapitre 3. Dans cet article, une modulation chaotique cohérente basée sur l’indice de condition initiale est proposée. Cette conception vise à augmenter l’efficacité spectrale et énergétique aux niveaux sans précédent. Le schéma proposé exploite les conditions initiales pour générer différentes séquences chaotiques pour transmettre des extra bits par transmission. Par rapport aux schemas de modulation rivaux, les résultats obtenus dans le travail proposé montrent un taux de transfert de données prometteur et une performance compétitive.

Le dernier article utilise un système de décalage-clé chaotique différentiel non cohérent nommé « Permutation index DCSK modulation technique for secure multi-user high-data-rate communication systems » qui se trouve dans l’annexe II. Dans cette conception originale, où chaque trame de données est divisée en deux tranches de temps dans lesquelles le signal chaotique de référence est envoyé dans le premier intervalle de temps et une réplique permutée de la référence signal multiplié par le bit de modulation est envoyé dans le deuxième créneau temporel, nous ciblons l’amélioration de sécurité de données, et l’efficacité énergétique et spectrale. Dans l’ensemble, compte tenu des exigences élevées en matière de bande passante et d’efficacité énergétique des systèmes futuristes, les mécanismes d’indexation douce suggérés par notre étude sont des candidats réussis avec des résultats prometteurs.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy." Comprend des références bibliographiques (pages 131-141)
Mots-clés libres:	Transmission sans fil. Réseaux de capteurs sans fil. Internet des objets. Modulation de fréquence. Télécommunications Systèmes de commutation. Transmission sans fil Économies d'énergie. 5g, efficacité, indice, modulation, spatial, spectral, communications de cinquième génération, modulation d’indice de fréquence, modulation chaotique de l’indice de condition initiale.
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kaddoum, Georges
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	09 oct. 2018 20:17
Dernière modification:	09 oct. 2018 20:17
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2091

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