Design and analysis of chaos-based communication systems

Dawa, Mohamed (2022). Design and analysis of chaos-based communication systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The introduction of the IoT paradigm for shaping the future 5G network, as billions of new devices would be deployed with different needs in terms of wireless access, is one of the cornerstones in establishing the 5G standard. A large chunk of the IoT network consists of the WSN and LOWPAN devices, known as devices with limited computation and battery life resources. The new standard for IoT devices, i.e., 802.15.4aa specifies several physical layer methods of access for the Low-Rate Wireless Networks using modulations like DSSS, FSK, MPSK, and UWB. The more significant proportion still deploys the DSSS modulation for WSNs, given its excellent performance in terms of security and its simple implementation.

The chaos-based modulations offer better performances in comparison with the DSSS and were considered in the literature, given the excellent statistical properties of the chaotic signals. Hence, they were considered an alternative, especially for devices with low capabilities widely seen in WSNs and LOWPANs. The non-coherent chaos-based scheme specifically offers an excellent solution with its simple detection method that enables successful transmission even through very noisy channels and multipath fading.

In the literature, the BER performance of non-coherent chaos-based schemes lacks a universal approach in its establishment, given that every scheme is studied apart and its BER performance is computed using Monte Carlo simulations or through the error function for each model. Moreover, the inherent limitation of non-coherent chaos-based systems in terms of data rate and spectral efficiency has been tackled by introducing countless modulation schemes. However, most of the schemes proposed in the literature require advanced signal processing blocks to implement such designs.

In light of this, the issue of BER computation is tackled in the second chapter of this thesis, where the BER expressions of several non-coherent chaos-based schemes over the multipath Rayleigh fading channel are studied, and a new metric in the form of a lower bound is introduced. For this purpose, a transformation is applied to the BER expression of non-coherent chaos-based schemes to replace the error function with an equivalent lower bound to the exponential function multiplied by the PDF of the fading channel, and then an anti-derivative is calculated. This yields a true theoretical expression that can be used to accurately compute the BER values over multipath Rayleigh fading channels for different chaos-based systems

As a follow-up, the third chapter extends the work done in chapter 2 to a more generalized channel model, namely the multipath Nakagami-m fading channel. The same methodology is applied to the non-coherent chaos-based models in order to derive a closed-form solution of the BER expression. The newly established lower bound to the BER is then computed and compared to the simulation results and proven to deliver a close match with tiny performance gaps.

The fourth chapter of the thesis is dedicated to the improvement of the spectral efficiency of the basic DCSK design. Since the DCSK scheme suffers from the transmission of a reference signal that actively occupies half of the transmission time, we opt for a solution that can shorten such time. We combine the DCSK design with the FTN filtering to reduce the spacing between the transmitted symbols and as a result obtain a gain in terms of spectrum usage. The performances of the newly introduced design are evaluated for different channel models and system settings. In addition, the system performances are compared to state-of-the-art designs in terms of BER and spectral efficiency.

Titre traduit

Conception et analyse de systèmes de communication basés sur le chaos

Résumé traduit

L’introduction du paradigme IoT pour façonner le futur réseau 5G, dans la mesure où des milliards de nouveaux dispositifs seront déployés avec des besoins différents en termes d’accès sans fil, est l’une des pierres angulaires de l’établissement de la norme 5G. Une grande partie du réseau IoT est constituée de dispositifs WSN et LOWPAN, connus comme des dispositifs aux ressources limitées en termes de calcul et d’autonomie. La nouvelle norme pour les appareils IoT, à savoir la norme 802.15.4aa, spécifie plusieurs méthodes d’accès à la couche physique pour les réseaux sans fil à faible débit utilisant des modulations telles que DSSS, FSK, MPSK et UWB. La plus grande partie déploie encore la modulation DSSS pour les WSNs étant donné ses excellentes performances en termes de sécurité et sa mise en œuvre simple

Les modulations basées sur le chaos offrent de meilleures performances que la DSSS et ont été prises en compte dans la littérature en raison des excellentes propriétés statistiques des signaux chaotiques. Elles ont donc été considérées comme une alternative, notamment pour les dispositifs à faible capacité, comme c’est le cas dans les WSN et les LOWPAN. Le schéma non cohérent basé sur le chaos offre une excellente solution grâce à sa méthode de détection simple qui permet une transmission réussie même à travers des canaux très bruyants et des évanouissements par trajets multiples.

Dans la littérature, les performances TEB des schémas basés sur le chaos non-cohérent ne font pas l’objet d’une approche universelle, étant donné que chaque schéma est étudié séparément et que ses performances BER sont calculées à l’aide de simulations de Monte-Carlo ou de la fonction d’erreur pour chaque modèle. De plus, la limitation inhérente des systèmes non cohérents basés sur le chaos en termes de débit de données et d’efficacité spectrale a été abordée par l’introduction d’innombrables schémas de modulation. Cependant, la plupart des schémas proposés dans la littérature nécessitent des blocs de traitement du signal avancés pour la mise en œuvre de ces conceptions.

Dans ce contexte, la question du calcul du TEB est abordée dans le deuxième chapitre de cette thèse où les expressions du TEB de plusieurs schémas non cohérents basés sur le chaos sur le canal à évanouissement de Rayleigh à trajets multiples sont étudiées et une nouvelle métrique sous la forme d’une limite inférieure est introduite. Dans ce but, une transformation est appliquée à l’expression du TEB des schémas non cohérents basés sur le chaos pour remplacer la fonction d’erreur par une limite inférieure équivalente à la fonction exponentielle multipliée par le PDF du canal d’évanouissement, puis une anti-dérivée est calculée. On obtient ainsi une véritable expression théorique qui peut être utilisée pour calculer avec précision les valeurs du TEB sur la voie d’évanouissement Rayleigh à trajets multiples pour différents systèmes basés sur le chaos.

Dans la foulée, le troisième chapitre étend le travail effectué au chapitre deux à un modèle de canal plus généralisé, à savoir le canal à évanouissement de Nakagami-m à trajets multiples. La même méthodologie est appliquée aux modèles non cohérents basés sur le chaos afin de dériver une solution à forme fermée de l’expression du TEB. La nouvelle limite inférieure du TEB est ensuite calculée et comparée aux résultats de la simulation, et il est prouvé qu’elle offre une correspondance étroite avec de minuscules écarts de performance.

Le quatrième chapitre de la thèse est consacré à l’amélioration de l’efficacité spectrale de la conception DCSK de base. Puisque le schéma DCSK souffre de la transmission d’un signal de référence qui occupe la moitié du temps de transmission, nous optons pour une solution qui peut raccourcir ce temps. Nous combinons la conception DCSK avec le filtrage FTN pour réduire l’espacement entre les symboles transmis et, par conséquent, obtenir une meilleure utilisation du spectre. Les performances de la nouvelle conception introduite sont évaluées pour différents modèles de canaux et paramètres de système. En outre, les performances du système sont comparées aux conceptions de pointe en termes de BER et d’efficacité spectrale.

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 105-115).
Mots-clés libres:	5G, Internet des Objets, DCSK, TEB, FTN
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kaddoum, Georges
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	27 févr. 2023 16:34
Dernière modification:	27 févr. 2023 16:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3189

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