High Performance Signal Processing-Based Collision Resolution for Random Access Schemes

Abstract

Els darrers anys han experimentat un augment de la demanda de serveis interactius per satèl·lit per al gran consum, cobrint serveis fixes i mòbils, tal i com accés de banda ampla, comunicacions màquina-màquina (M2M), supervisió, control i adquisició de dades (SCADA), transaccions i aplicacions de seguretat crítiques. Aquestes xarxes de comunicacions es caracteritzen per tenir una gran població d’usuaris compartint l’amplada de banda amb unes condicions de tràfic molt dinàmiques. Concretament, en el canal de retorn (de l’usuari a la xarxa) de xarxes d’accés de banda ampla, els usuaris residencials generen grans ràfegues de tràfic amb períodes d’inactivitat freqüents. Una situació similar succeeix en xarxes de comunicacions mòbils per satèl·lit, on una gran població de terminals generen transmissions infreqüents de senyalització, serveis basats en la localització or altres aplicacions de missatgeria.

Aquests serveis requereixen el desenvolupament de protocols d’accés múltiple eficients que puguin operar en les condicions descrites anteriorment. Els protocols d´accés aleatori són bons candidats per servir tràfic poc predictiu, amb transmissions infreqüents així com sensibles amb el retard. A més, els protocols d´accés aleatori suporten un gran nombre de terminals compartint el canal de comunicacions i requereixen poca complexitat en el terminals. El protocols d´accés aleatori han estat àmpliament estudiats i desplegats en xarxes terrestres, però les seves prestacions són pobres en el entorn satèl·lital, que està caracteritzat per retards de propagació molt grans. Avui en dia, el seu ús en les xarxes de comunicacions per satèl·lit està principalment limitat a la senyalització d’inici de sessió, transmissió de paquets de control i en alguns casos a la transmissió de petits volums de dades amb unes eficiència d’utilització del canal molt baixa.

Aquesta tesi proposa tres noves tècniques d’accés aleatori, bens adaptades per proveir els serveis esmentats anteriorment en un entorn satèl·lital, amb altes prestacions i una complexitat en el terminal d’usuari reduïda. Les noves tècniques d’accés aleatori són Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA), Asynchronous Contention Resolution Diversity Aloha (ACRDA) i Enhanced Spread Spectrum Aloha (E-SSA), adaptades per un tipus d’accés ranurat, asíncron i d’espectre eixamplat respectivament. Les tres tècniques utilitzen una codificació de canal (FEC) robusta, capaç d’operar en front de interferències elevades, que són típiques en l’accés aleatori, i d’un mecanisme de cancel·lació successiva d’interferència que s’implementa en el receptor sobre els paquets descodificats satisfactòriament. Els nous protocols obtenen un throughput normalitzat superior a 1 bit/s/Hz amb una tassa de pèrdua de paquets inferior a 10-3, el qual representa un factor de millora de 1000 respecte a protocols d’accés aleatori tradicionals com l’ALOHA ranurat. Les prestacions de les noves tècniques d’accés aleatori has estat analitzades per mitjà de simulacions, així com amb nou models analítics desenvolupats en aquesta tesi capaços de caracteritzar el tràfic, la distribució estadística de la potència dels paquets, les prestacions de la codificació de canal (FEC) i el procés de cancel·lació d’interferència successiva.

Los últimos años han experimentado un crecimiento de la demanda de servicios interactivos por satélite para el gran consumo, cubriendo servicios fijos i móviles, como el acceso de banda ancha, comunicaciones máquina a máquina (M2M), supervisión, control y adquisición de datos (SCADA), transacciones i aplicaciones criticas de seguridad. Estas redes de comunicaciones se caracterizan por tener una gran población de usuarios compartiendo el ancho de banda en unas condiciones de tráfico muy dinámicas. Concretamente, en el canal de retorno (del usuario a la red) de redes de acceso de banda ancha, los usuarios residenciales generan grandes ráfagas de tráfico con periodos frecuentes de inactividad. Una situación similar ocurre en las redes de comunicaciones móviles por satélite, donde una gran población de terminales generan transmisiones infrecuentes de señalización, servicios basados en la localización u otras aplicaciones me mensajería.

Estos servicios requieren el desarrollo de protocolos de acceso múltiple eficientes capaces de operar en las condiciones descritas anteriormente. Los protocolos de acceso aleatorio son buenos candidatos para servir el tráfico poco predictivo, con transmisiones infrecuentes así como sensibles al retardo. Además, los protocolos de acceso soportan un gran número de terminales compartiendo el canal de comunicaciones y requieren poca complejidad en los terminales. Los protocolos de acceso aleatorio han estado ampliamente estudiados i desplegados en las redes terrestres, pero sus prestaciones son pobres en el entorno satelital, que se caracteriza por retardos de comunicaciones muy elevados. Hoy en día, su uso en la redes de comunicaciones por satélite está principalmente limitado a la señalización de inicio de sesión, transmisión de pequeños volumenes de datos con eficiencia de utilización del canal muy baja.

Esta tesis propone tres nuevas técnicas de acceso aleatorio bien adaptadas para proveer los servicios mencionados anteriormente en un entorno de comunicaciones por satélite, con altas prestaciones y una complejidad en el terminal de usuario reducida. Las nuevas técnicas de acceso aleatorio son Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA), Asynchronous Contention Resolution Diversity Aloha (ACRDA) y Enhanced Spread Spectrum Aloha (E-SSA), adaptadas para un tipo de acceso ranurado, asíncrono y de espectro ensanchado respectivamente. Las tres técnicas utilizan una codificación de canal (FEC) robusta, capaz de operar en condiciones de interferencia elevadas, que son típicas en el acceso aleatorio, y de un mecanismo de cancelación sucesiva de interferencias que se implementa en el receptor sobre los paquetes que han sido decodificados satisfactoriamente. Los nuevos protocolos obtienen un throughput normalizado superior a 1 bit/s/Hz con una tasa de pérdida de paquetes inferior a 10-3, lo cual representa un factor de mejora de 1000 respecto a los protocolos de acceso aleatorio tradicionales como el ALOHA ranurado. Las prestaciones de las nuevas técnicas de acceso aleatorio han sido analizadas con simulaciones así como con nuevos modelos analíticos desarrollados en esta tesis, capaces de caracterizar el tráfico, la distribución estadística de la potencia de los paquetes, las prestaciones de la codificación de canal (FEC) y el proceso de cancelación sucesiva de interferencias.

Over the past years there has been a fast growing demand for low-cost interactive satellite terminals supporting both fixed and mobile services, such as consumer broadband access, machine-to-machine communications (M2M), supervisory control and data acquisition (SCADA), transaction and safety of life applications. These networks, are generally characterized by a large population of terminals sharing the available resources under very dynamic traffic conditions. In particular, in the return link (user to network) of commercial satellite broadband access networks, residential users are likely to generate a large amount of low duty cycle bursty traffic with extended inactivity periods. A similar situation occurs in satellite mobile networks whereby a large number of terminals typically generate infrequent packets for signaling transmission as well for position reporting or other messaging applications.

These services call for the development of efficient multiple access protocols able to cope with the above operating conditions. Random Access (RA) techniques are by nature, good candidates for the less predictive, low duty cycle as well as time sensitive return link traffic. Besides, RA techniques are capable of supporting large population of terminals sharing the same capacity and require low terminal complexity. RA schemes have been widely studied and deployed in terrestrial networks, but do not perform well in the satellite environment, which is characterized by very long propagation delays. Today, their use in satellite networks is mainly limited to initial network login, the transmission of control packets, and in some cases, for the transmission of very small volumes of data with very low channel utilization.

This thesis proposes three novel RA schemes well suited for the provision of the above-mentioned services over a satellite environment with high performance and low terminal complexity. The new RA schemes are Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA), Asynchronous Contention Resolution Diversity Aloha (ACRDA) and Enhanced Spread Spectrum Aloha (E-SSA), suited for slotted, unslotted and spread spectrum-based systems respectively. They all use strong Forward Error Correction (FEC) codes, able to cope with heavy co-channel interference typically present in RA, and successive interference cancellation implemented over the successfully decoded packets. The new schemes achieve a normalized throughput above 1 bit/s/Hz for a packet loss ratio below 10-3, which represents a 1000-fold increase compared to Slotted ALOHA. The performance of the proposed RA schemes has been analyzed by means of detailed simulations as well as novel analytical frameworks that characterize traffic and packets power statistical distributions, the performance of the FEC coding as well as the iterative interference cancellation processing at the receiver.