Assessment and Real Time Implementation of Wireless Communications Systems and Applications in Transportation Systems

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e das Comunicacións en Redes Móbiles. 5029V01[Resumo] Os sistemas de comunicación sen fíos de cuarta e quinta xeración (4G e 5G) utilizan unha capa física (PHY) baseada en modulacións multiportadora para a transmisión de datos cun gran ancho de banda. Este tipo de modulacións proporcionan unha alta eficiencia espectral á vez que permiten corrixir de forma sinxela os efectos da canle radio. Estes sistemas utilizan OFDMA como mecanismo para a repartición dos recursos radio dispoñibles entre os diferentes usuarios. Este repartimento realízase asignando un subconxunto de subportadoras a cada usuario nun instante de tempo determinado. Isto aporta unha gran flexibilidade ó sistema que lle permite adaptarse tanto ós requisitos de calidade de servizo dos usuarios como ó estado da canle radio. A capa de acceso ó medio (MAC) destes sistemas encárgase de configurar os diversos parámetros proporcionados pola capa física OFDMA, ademais de xestionar os diversos fluxos de información de cada usuario, transformando os paquetes de capas superiores en paquetes da capa física. Neste traballo estúdase o deseño e implementación das capas MAC e PHY de sistemas de comunicación 4G ademais da súa aplicabilidade en sistemas de transporte ferroviarios. Por unha parte, abórdase o deseño e implementación en tempo real do estándar WiMAX. Estúdanse os mecanismos necesarios para establecer comunicacións bidireccionais entre unha estación base e múltiples dispositivos móbiles. Ademais, estúdase como realizar esta implementación nunha arquitectura hardware baseada en DSPs e FPGAs, na que se implementan as capas MAC e PHY. Dado que esta arquitectura ten uns recursos computacionais limitados, tamén se estudan as necesidades de cada módulo do sistema para poder garantir o funcionamento en tempo real do sistema completo. Por outra parte, tamén se estuda a aplicabilidade dos sistemas 4G a sistemas de transporte públicos. Os sistemas de comunicacións e sinalización son unha parte vital para os sistemas de transporte ferroviario e metro. As comunicacións sen fíos utilizadas por estes sistemas deben ser robustas e proporcionar unha alta fiabilidade para permitir a supervisión, control e seguridade do tráfico ferroviario. Para levar a cabo esta avaliación de viabilidade realízanse simulacións de redes de comunicacións LTE en contornos de transporte ferroviarios, comprobando o cumprimento dos requisitos de fiabilidade e seguridade. Realízanse diferentes simulacións do sistema de comunicacións para poder ser avaliadas e seleccionar a configuración e arquitectura do sistema máis axeitada en función do escenario considerado. Tamén se efectúan simulacións de redes baseadas en Wi-Fi, dado que é a solución máis utilizada nos metros, para confrontar os resultados cos obtidos para LTE. Para que os resultados das simulacións sexan realistas débense empregar modelos de propagación radio axeitados. Nas simulacións utilízanse tanto modelos deterministas como modelos baseados nos resultados de campañas de medida realizadas nestes escenarios. Nas simulacións empréganse os diferentes fluxos de información destes escenarios para comprobar que se cumpren os requisitos de calidade de servicio (QoS). Por exemplo, os fluxos críticos para o control ferroviario, como European Train Control System (ETCS) ou Communication-Based Train Control (CBTC), necesitan unha alta fiabilidade e un retardo mínimo nas comunicacións para garantir o correcto funcionamento do sistema.[Resumen] Los sistemas de comunicación inalámbricos de cuarta y quinta generación (4G y 5G) utilizan una capa física (PHY) basada en modulaciones multiportadora para la transmisión de datos con un gran ancho de banda. Este tipo de modulaciones han demostrado tener una alta eficiencia espectral a la vez que permiten corregir de forma sencilla los efectos del canal radio. Estos sistemas utilizan OFDMA como mecanismo para el reparto de los recursos radio disponibles entre los diferentes usuarios. Este reparto se realiza asignando un subconjunto de subportadoras a cada usuario en un instante de tiempo determinado. Esto aporta una gran flexibilidad al sistema que le permite adaptarse tanto a los requisitos de calidad de servicio de los usuarios como al estado del canal radio. La capa de acceso al medio (MAC) de estos sistemas se encarga de configurar los diversos parámetros proporcionados por la capa física OFDMA, además de gestionar los diversos flujos de información de cada usuario, transformando los paquetes de capas superiores en paquetes de la capa física. En este trabajo se estudia el diseño e implementación de las capas MAC y PHY de sistemas de comunicación 4G además de su aplicabilidad en sistemas de transporte ferroviarios. Por una parte, se aborda el diseño e implementación en tiempo real del estándar WiMAX. Se estudian los mecanismos necesarios para establecer comunicaciones bidireccionales entre una estación base y múltiples dispositivos móviles. Además, se estudia cómo realizar esta implementación en una arquitectura hardware basada en DSPs y FPGAs, en la que se implementan las capas MAC y PHY. Dado que esta arquitectura tiene unos recursos computacionales limitados, también se estudian las necesidades de cada módulo del sistema para poder garantizar el funcionamiento en tiempo real del sistema completo. Por otra parte, también se estudia la aplicabilidad de los sistemas 4G a sistemas de transporte públicos. Los sistemas de comunicaciones y señalización son una parte vital para los sistemas de transporte ferroviario y metro. Las comunicaciones inalámbricas utilizadas por estos sistemas deben ser robustas y proporcionar una alta fiabilidad para permitir la supervisión, control y seguridad del tráfico ferroviario. Para llevar a cabo esta evaluación de viabilidad se realizan simulaciones de redes de comunicaciones LTE en entornos de transporte ferroviarios, comprobando si se cumplen los requisitos de fiabilidad y seguridad. Se realizan diferentes simulaciones del sistema de comunicaciones para poder ser evaluados y seleccionar la configuración y arquitectura del sistema más adecuada en función del escenario planteado. También se efectúan simulaciones de redes basadas en Wi-Fi, dado que es la solución más utilizada en los metros, para comparar los resultados con los obtenidos para LTE. Para que los resultados de las simulaciones sean realistas se deben utilizar modelos de propagación radio apropiados. En las simulaciones se utilizan tanto modelos deterministas como modelos basados en los resultados de campañas de medida realizadas en estos escenarios. En las simulaciones se utilizan los diferentes flujos de información de estos escenarios para comprobar que se cumplen sus requisitos de calidad de servicio. Por ejemplo, los flujos críticos para el control ferroviario, como European Train Control System (ETCS) o Communication-Based Train Control (CBTC), necesitan una alta fiabilidad y un retardo bajo en las comunicaciones para garantizar el correcto funcionamiento del sistema.[Abstract] The fourth and fifth generation wireless communication systems (4G and 5G) use a physical layer (PHY) based on multicarrier modulations for data transmission using high bandwidth. This type of modulations has shown to provide high spectral efficiency while allowing low complexity radio channel equalization. These systems use OFDMA as a mechanism for distributing the available radio resources among different users. This allocation is done by assigning a subset of subcarriers to each user in a given instant of time. This provides great flexibility to the system that allows it to adapt to both the quality of service requirements of users and the radio channel state. The media access layer (MAC) of these systems is in charge of configuring the multiple OFDMA PHY layer parameters, in addition to managing the data flows of each user, transforming the higher layer packets into PHY layer packets. This work studies the design and implementation of MAC and PHY layers of 4G communication systems as well as their applicability in rail transport systems. On the one hand, the design and implementation in real time of the WiMAX standard is addressed. The required mechanisms to establish bidirectional communications between a base station and several mobile devices are also evaluated. Moreover, a MAC layer and PHY layer implementation is presented, using a hardware architecture based in DSPs and FPGAs. Since this architecture has limited computational resources, the requirements of each processing block of the system are also studied in order to guarantee the real time operation of the complete system. On the other hand, the applicability of 4G systems to public transportation systems is also studied. Communications and signaling systems are a vital part of rail and metro transport systems. The wireless communications used by these systems must be robust and provide high reliability to enable the supervision, control and safety of rail traffic. To carry out this feasibility assessment, LTE communications network simulations are performed in rail transport environments to verify that reliability and safety requirements are met. Several simulations are carried out in order to evaluate the system performance and select the most appropriate system configuration in each case. Simulations of Wi-Fi based networks are also carried out, since it is the most used solution in subways, to compare the results with those obtained for LTE. To perform the simulations correctly, appropriate radio propagation models must be used. Both deterministic models and models based on the results of measurement campaigns in these scenarios are used in the simulations. The simulations use the different information flows present in the railway transportation systems to verify that its quality of service requirements are met. For example, critical flows for railway control, such as the European Train Control System (ETCS) or Communication-Based Train Control (CBTC), require high reliability and low delay communications to ensure the proper functioning of the system

Heterogeneous LTE/ Wi-Fi architecture for intelligent transportation systems

Intelligent Transportation Systems (ITS) make use of advanced technologies to enhance road safety and improve traffic efficiency. It is anticipated that ITS will play a vital future role in improving traffic efficiency, safety, comfort and emissions. In order to assist the passengers to travel safely, efficiently and conveniently, several application requirements have to be met simultaneously. In addition to the delivery of regular traffic and safety information, vehicular networks have been recently required to support infotainment services. Previous vehicular network designs and architectures do not satisfy this increasing traffic demand as they are setup for either voice or data traffic, which is not suitable for the transfer of vehicular traffic. This new requirement is one of the key drivers behind the need for new mobile wireless broadband architectures and technologies. For this purpose, this thesis proposes and investigates a heterogeneous IEEE 802.11 and LTE vehicular system that supports both infotainment and ITS traffic control data. IEEE 802.11g is used for V2V communications and as an on-board access network while, LTE is used for V2I communications. A performance simulation-based study is conducted to validate the feasibility of the proposed system in an urban vehicular environment. The system performance is evaluated in terms of data loss, data rate, delay and jitter. Several simulation scenarios are performed and evaluated. In the V2I-only scenario, the delay, jitter and data drops for both ITS and video traffic are within the acceptable limits, as defined by vehicular application requirements. Although a tendency of increase in video packet drops during handover from one eNodeB to another is observed yet, the attainable data loss rate is still below the defined benchmarks. In the integrated V2V-V2I scenario, data loss in uplink ITS traffic was initially observed so, Burst communication technique is applied to prevent packet losses in the critical uplink ITS traffic. A quantitative analysis is performed to determine the number of packets per burst, the inter-packet and inter-burst intervals. It is found that a substantial improvement is achieved using a two-packet Burst, where no packets are lost in the uplink direction. The delay, jitter and data drops for both uplink and downlink ITS traffic, and video traffic are below the benchmarks of vehicular applications. Thus, the results indicate that the proposed heterogeneous system offers acceptable performance that meets the requirements of the different vehicular applications. All simulations are conducted on OPNET Network Modeler and results are subjected to a 95% confidence analysis

Network planning for the future railway communications

Los Sistemas Inteligentes de Transporte están cambiando la forma en que concebimos el futuro de la movilidad. En particular, los ferrocarriles están experimentando un proceso de transformación para modernizar el transporte público y las operaciones ferroviarias. Tecnologías como el 5G, la fibra óptica y la nube han surgido como catalizadores para digitalizar el ferrocarril proporcionando comunicaciones de alta velocidad y baja latencia. Este TFG se centra en la exploración de redes que permitan el control del tren y la transmisión de datos a bordo. El objetivo es planificar la infraestructura de red (dimensionamiento y asignación de recursos) necesaria para las futuras comunicaciones del sistema ferroviario de larga distancia de la Deutsche Bahn en Alemania. En este trabajo, proponemos una arquitectura de red que puede satisfacer los requisitos de rendimiento de las aplicaciones para trenes y pasajeros. Presentamos un método para la colocación de estaciones base 5G a lo largo de las vías del tren para garantizar el rendimiento necesario en el borde de la celda. Por último, presentamos el problema de colocación y asignación de centros de datos. El objetivo es encontrar el número necesario de centros de datos y su ubicación en la red, y asignarlos a cada estación de tren. Realizamos simulaciones en cuatro escenarios diferentes, en los que modificamos parámetros de entrada como la latencia máxima tolerada y el número máximo de centros de datos. Los resultados obtenidos muestran el compromiso entre la latencia alcanzada y el coste de la infraestructura.Els Sistemes Intel·ligents de Transport estan canviant la manera en què concebem el futur de la mobilitat. En particular, els ferrocarrils estan experimentant un procés de transformació per modernitzar el transport públic i les operacions ferroviàries. Tecnologies com el 5G, la fibra òptica i el núvol han sorgit com a catalitzadors per digitalitzar el ferrocarril proporcionant comunicacions d'alta velocitat i baixa latència. Aquest TFG se centra en l'exploració de xarxes que permetin el control dels trens i la transmissió de dades a bord. L'objectiu és planificar la infraestructura de xarxa (dimensionament i assignació de recursos) necessària per a les futures comunicacions del sistema ferroviari de llarga distància de la Deutsche Bahn a Alemanya. En aquest treball, proposem una arquitectura de xarxa que pot satisfer els requisits de rendiment de les aplicacions per a trens i passatgers. Presentem un mètode per a la col·locació d'estacions base 5G al llarg de les vies del tren per garantir el rendiment necessari a la vora de la cel·la. Per últim, presentem el problema de col·locació i assignació de centres de dades. L'objectiu és trobar el nombre necessari de centres de dades i la seva ubicació a la xarxa, i assignar-los a cada estació de tren. Realitzem simulacions en quatre escenaris diferents, on modifiquem paràmetres d'entrada com la latència màxima tolerada i el nombre màxim de centres de dades. Els resultats obtinguts mostren el compromís entre la latència assolida i el cost de la infraestructura.Smart Transportation Systems are changing the way we conceive the future of mobility. In particular, railways are undergoing a transformation process to modernize public transportation and rail operation. Technologies like 5G, optical fiber and the cloud have emerged as catalysts to digitalize the railway by providing high-speed and low-latency communications. This bachelor's thesis focuses on the exploration of networks enabling train control and on-board data communications. The goal is to plan the network infrastructure (dimensioning and resource allocation) needed for the future communications in the train mobility scenario for Deutsche Bahn's long-distance railway system in Germany. In this work, we propose a network architecture that can meet the performance requirements of train and passenger applications. We present an approach for 5G base station placement along the rail tracks to guarantee the necessary throughput at the cell edge. Finally, we introduce the data center placement and assignment problem. The objective is to find the required number of data centers and their location in the network, and to assign them to each train station. We perform simulations in four different scenarios, in which we modify input parameters such as the maximum tolerated latency and the maximum number of data centers. The obtained results show the trade-off between the achieved latency and the infrastructure cost