Op weg naar robuuste en contextbewuste draadloze in-band full-duplex netwerken

Tot enkele decennia geleden waren slimme steden en slimme fabrieken enkel mogelijk in sciencefictionfilms. De recente enorme vooruitgang in computer-, informatie- en communicatietechnologie heeft een grote stap voorwaarts gezet om dit ook tot werkelijkheid te brengen. We kunnen ons dit niet voorstellen zonder de aanwezigheid van een robuust draadloos netwerk waarover men betrouwbaar kan communiceren. Dit heeft de onderzoekers aangezet tot het verleggen van technologische grenzen en het streven naar ultra-betrouwbare en lage-latentie communicatie (URLLC), waarin diensten cruciale vereisten hebben qua beschikbaarheid en latentie. Hiermee worden veel toepassingen mogelijk, zoals Vehicular Ad-hoc Network (VANET), Vehicular Edge Computing, Industrie 4.0, en zelfs Industrie 5.0 die al aan de horizon te zien is. 

Dit doctoraatswerk is een poging om de betrouwbaarheid van draadloze netwerken te verbeteren en ze te voorzien van omgevingsdetectie. Om dit mogelijk te maken, gebruiken we In-band Full-duplex (\gls{ibfd}) technologie die het mogelijk maakt om gelijktijdig te zenden en ontvangen in dezelfde frequentieband, alsook het constant monitoren van het draadloze spectrum. IBFD heeft het potentieel om de snelheid van een communicatieverbinding te verdubbelen, en dit is het niet het enige voordeel. Enerzijds laat deze techniek toe dat een zender de omgevingsreflecties van wat hij uitzendt kan opmeten, wat opportunistisch kan worden gebruikt door een geïntegreerde radar om de omgeving te karakteriseren. Anderzijds maakt IFBD het mogelijk om naar het kanaal te luisteren terwijl het gegevens uitzendt, zodat het de signaalinterferentie kan detecteren en hierop gepast kan reageren. Dit soort contextdetectie met behulp van het kanaal verbetert de betrouwbaarheid van het netwerk, in het bijzonder voor technieken die het kanaal delen gebaseerd op botsingen tussen zenders. 

Met behulp van IBFD, onderzoekt dit proefschrift vier technieken om contextbewustzijn en signaalbotsingsdetectie mogelijk te maken, waarin twee benaderingen voor elk item worden onderzocht. 
Ten eerste introduceer ik een ontwerp voor een zendontvanger waarin een monostatische doppler-radar is geïntegreerd. Het ontwerp maakt gebruik van een analoge module om voldoende isolatie te bieden tussen zender en ontvanger, zodat de radar het communicatiesignaal kan hergebruiken om de dopplerverschuiving vanwege de omgeving te detecteren. Ik ontwikkel een analytisch systeemmodel om verschillende belangrijke parameters te bestuderen die de doppler-detectieprestaties beïnvloeden. Voor deze contextdetectie aanpak is ook een prototype ontwikkeld op een real-time platform. Het analytische model wordt dan gevalideerd door middel van numerieke simulatie en metingen via het prototype. 

In de tweede stap wordt een gezamenlijk communicatie en radarverwerkingsmethode via IBFD geïntroduceerd, dat optimaal gebruik maakt van de hardware. Op basis van een wiskundig systeemmodel en simulatie implementeer ik een prototype en analyseer ik de communicatie-radar prestaties in een werkelijke bidirectionele communicatieverbinding. 
Tot slot bestudeer ik twee verschillende benaderingen om onmiddellijke signaalbotsingsdetectie te implementeren en zo de betrouwbaarheid van het netwerk te verbeteren. Hiervoor wordt een convolutioneel neuraal netwerk ontwikkeld dat concurreert met een model dat gebaseerd is op ruis- en vervormingsinschatting. Vervolgens evalueert een op metingen gebaseerde simulatie de prestaties van elke benadering, waarbij rekening wordt gehouden met de kans op detectie en op vals alarm als twee kritieke meetwaarden. 

Dit proefschrift concludeert dat IBFD-technologie niet alleen de doorvoersnelheid van het netwerk kan verbeteren, maar ook de mogelijkheid biedt om omgevings- en spectrale contextbewustzijn te verkrijgen. De experimentele resultaten tonen aan dat de opportunistische radaroplossing gelijktijdige doelwitten kan detecteren op 10 and 20m, door hergebruik van het zelfstoring-communicatiesignaal dat gegevens naar een tweede node op afstand stuurt. De ontwikkelde techniek is kostenefficiënt omdat het kan worden geïmplementeerd met beperkte extra logica. Bovendien overtreffen de voorgestelde botsingsdetectiestrategieën in dit proefschrift de huidige nieuwste techniek met een 12-voudige snellere detectie, terwijl ze nog steeds lage complexiteit hebben wat betreft real-time realisatie. In het bijzonder tonen de resultaten aan dat botsingen tot 30dB onder het referentiesignaal (de zelfstoring) precies binnen 0.02 ms kunnen worden gedetecteerd met als kost een verwaarloosbare waarschijnlijkheid van een vals alarm.