Distributed synchronization for dense wireless network systems

Distributed synchronization on dense wireless network constitutes a new regime for network synchronization, mainly due to the challenges involved on the inter-connectivity of large number of devices for management and coordination of the network. This inter-connectivity enables various services that are envisioned for Internet of Things (IoT), such as smart meters, smart traffic, public safety, medical metering, smart homes, etc. IoT paradigm embeds the inter-communication of massive number of devices that is challenging in terms of scalability, sustainability and improved efficiency. The inter-connectivity of massive number of devices is an open issue, and it is expected to be part of 5G ecosystem. Therefore, time and carrier frequency synchronization are critical aspects to be considered to guarantee the proper network communication. In this context, there are some characteristics to be taken into account for a proper synchronization solution in dense networks. On PHY-level context, the multiple connectivity for heterogeneous communication devices require scalability, and the constraint consumption of energy due to the capacity of the devices, requires a fast convergence and optimum processing. The proposed synchronization methodology considers the following statements: i) to allow scalability of the network; ii) to allow fast synchronization of the whole network; and iii) to mitigate power consumption. The network scenario consists of a dense and not coordinated wireless connected nodes without any external agent as a reference, where the internode distance is small (compared to the bandwidth) to neglect any propagation delay. Each node is equipped with a local free-running reference that skews from the others, and local control is by changing timing offset (TO) and carrier frequency offset (CFO) on each node independently of the others. The periodic synchronization allocates specific signatures in data communication to exchange the synchronization state by every node so that the network iteratively reaches a global convergence. In this Doctoral Dissertation, a distributed synchronization algorithm based on consensus paradigms is proposed, that enables the network to reach asymptotically a global convergence based on the exchange of a common beacon (i.e., the same synchronization beacon is used by all nodes in the network) with features that enable a fast and accurate timing and carrier frequency synchronization. Each node broadcasts the same signature that superimpose (collide) with the others and compound signal of multiple collisions represents a reference signature that embeds the TO and CFO reference for the entire network. Once the network reaches a convergence, the frames are aligned giving the start of time-slot. Contrary to conventional synchronization methods, the feature of the proposed distributed synchronization algorithm is that the collision of signatures does not impair the synchronization, rather it is used by the receiving node as ensemble reference to enable its synchronization. The design of a unique synchronization signature (beacon) largely simplifies the setting and it is based on chirplike sequences with good correlation properties (e.g. Zadoff-Chu sequences used on LTE), that allows the join estimation of TO and CFO errors. The accuracy of the correlator-based estimator is analyzed, and the impact of stochastic perturbations product of the oscillator’s instability and estimator’s error is studied to evaluate the convergence condition of the proposed distributed synchronization algorithm. The proposed distributed synchronization algorithm is implemented on a hardware demonstrator, based on software-defined radios programmed in GNU radio, showing the algorithms ability to decouple the TO and CFO estimate and it is analyzed the convergence time of TO and CFO synchronization. Then, the optimization of the distributed synchronization is carried out based on i) an optimal duplexing strategy, and ii) an optimal synchronization protocol. In context of dense inter-connected networks with oscillators affected by drifts, two synchronization approaches are compared based on: collision-avoidance and collision of signals, to investigate the impact of the network scalability by comparing the convergence time and synchronization dispersion error. Finally, the impact of synchronization is evaluated for a resource management scheme (spectrum allocation) in Device-to-Device (D2D) communications. The selection of the resources to be added or released in the allocation is performed by minimizing the boundary extension of the time-frequency (TF) spectrum region, this criteria avoids fragmented region allocations with large boundary areas that could increases the cross-interference due to TF jitter.

La sincronizzazione distribuita su una rete wireless densa costituisce un nuovo regime per la sincronizzazione della rete, principalmente a causa delle sfide legate all'interconnessione di un gran numero di dispositivi per la gestione e il coordinamento della rete. Questa interconnessione consente vari servizi che sono previsti per Internet delle cose (IoT), come contatori intelligenti, traffico intelligente, sicurezza pubblica, misurazione medica, case intelligenti, ecc. Il paradigma IoT incorpora l'Inter-comunicazione di un numero enorme di dispositivi che è impegnativo in termini di scalabilità, sostenibilità e miglioramento dell'efficienza. L'interconnessione di un numero enorme di dispositivi è un problema aperto e si prevede che sia parte dell'ecosistema 5G. Pertanto, il tempo e la sincronizzazione della frequenza portante sono aspetti critici da considerare per garantire la corretta comunicazione di rete. In questo contesto, ci sono alcune caratteristiche da tenere in considerazione per una soluzione di sincronizzazione corretta in reti dense. Nel contesto PHY-Level, la connettività multipla per dispositivi di comunicazione eterogenei richiede scalabilità, e il consumo di vincoli di energia a causa della capacità dei dispositivi, richiede una convergenza veloce e un'elaborazione ottimale. La metodologia di sincronizzazione proposta considera le seguenti affermazioni: i) per consentire la scalabilità della rete; II) consentire la rapida sincronizzazione dell'intera rete; e III) per mitigare il consumo energetico. Lo scenario di rete è costituito da nodi collegati senza fili densi e non coordinati, privi di agenti esterni come riferimento, in cui la distanza tra nodi è ridotta (rispetto alla larghezza di banda) per trascurare qualsiasi ritardo di propagazione. Ogni nodo è dotato di un riferimento locale a esecuzione libera che si inclino dagli altri e il controllo locale è modificando l'offset di temporizzazione (TO) e l'offset della frequenza portante (CFO) in ogni nodo indipendentemente dagli altri. La sincronizzazione periodica alloca firme specifiche nella comunicazione dati per scambiare lo stato di sincronizzazione di ogni nodo in modo che la rete raggiunga iterativamente una convergenza globale. In questa tesi di dottorato, viene proposto un algoritmo di sincronizzazione distribuito basato su paradigmi di consenso, che consente alla rete di raggiungere asintoticamente una convergenza globale basata sullo scambio di un beacon comune (cioè la stessa sincronizzazione Beacon è utilizzato da tutti i nodi della rete) con caratteristiche che consentono una sincronizzazione veloce e accurata della frequenza e della portante. Ogni nodo trasmette la stessa firma che sovrapponga (Collide) con gli altri e il segnale composto di più collisioni rappresenta una firma di riferimento che incorpora il riferimento a e CFO per l'intera rete. Una volta che la rete raggiunge una convergenza, i fotogrammi sono allineati dando l'inizio di tempo-slot. Contrariamente ai metodi di sincronizzazione convenzionali, la caratteristica dell'algoritmo di sincronizzazione distribuita proposto è che la collisione delle firme non comprometta la sincronizzazione, bensì viene utilizzata dal nodo ricevente come riferimento di ensemble per abilitare la sincronizzazione. La progettazione di una firma di sincronizzazione unica (Beacon) semplifica in gran parte l'impostazione e si basa su sequenze chirplike con buone proprietà di correlazione (ad esempio le sequenze Zadoff-Chu utilizzate su LTE), che consente la stima di join degli errori di TO e CFO. L'accuratezza dello stimatore basato sul correlatore viene analizzata, e l'impatto delle perturbazioni stocastiche prodotto dell'instabilità dell'oscillatore e dell'errore dello stimator è studiato per valutare la condizione di convergenza della proposta algoritmo di sincronizzazione distribuito. L'algoritmo di sincronizzazione distribuita proposto è implementato su un dimostratore hardware, basato su radio software-defined programmate in radio GNU, mostrando la capacità di algoritmi di separare la stima di TO e CFO e viene analizzato il tempo di convergenza di E la sincronizzazione con CFO. Quindi, l'ottimizzazione della sincronizzazione distribuita viene eseguita in base a i) una strategia duplex ottimale, e II) un protocollo di sincronizzazione ottimale. Nel contesto di reti interconnesse dense con oscillatori colpiti da derive, vengono confrontati due approcci di sincronizzazione basati su: collisione-elusione e collisione di segnali, per indagare l'impatto della scalabilità di rete confrontando il tempo di convergenza e errore di dispersione della sincronizzazione. Infine, l'impatto della sincronizzazione viene valutato per uno schema di gestione delle risorse (allocazione dello spettro) nelle comunicazioni da dispositivo a dispositivo (D2D). La selezione delle risorse da aggiungere o rilasciare nell'allocazione viene eseguita riducendo al minimo l'estensione del limite della regione dello spettro della frequenza temporale (TF), questo criterio evita la frammentazione delle allocazioni delle regioni con vaste aree di delimitazione che potrebbero aumenta l'interferenza incrociata dovuta al TF jitter.