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

Space Station communications and tracking systems modeling and RF link simulation

In this final report, the effort spent on Space Station Communications and Tracking System Modeling and RF Link Simulation is described in detail. The effort is mainly divided into three parts: frequency division multiple access (FDMA) system simulation modeling and software implementation; a study on design and evaluation of a functional computerized RF link simulation/analysis system for Space Station; and a study on design and evaluation of simulation system architecture. This report documents the results of these studies. In addition, a separate User's Manual on Space Communications Simulation System (SCSS) (Version 1) documents the software developed for the Space Station FDMA communications system simulation. The final report, SCSS user's manual, and the software located in the NASA JSC system analysis division's VAX 750 computer together serve as the deliverables from LinCom for this project effort

PNT cyber resilience : a Lab2Live observer based approach, Report 1 : GNSS resilience and identified vulnerabilities. Technical Report 1

The use of global navigation satellite systems (GNSS) such as GPS and Galileo are vital sources of positioning, navigation and timing (PNT) information for vehicles. This information is of critical importance for connected autonomous vehicles (CAVs) due to their dependence on this information for localisation, route planning and situational awareness. A downside to solely relying on GNSS for PNT is that the signal strength arriving from navigation satellites in space is weak and currently there is no authentication included in the civilian GNSS adopted in the automotive industry. This means that cyber-attacks against the GNSS signal via jamming or spoofing are attractive to adversaries due to the potentially high impact they can achieve. This report reviews the vulnerabilities of GNSS services for CAVs (a summary is shown in Figure 1), as well as detection and mitigating techniques, summarises the opinions on PNT cyber testing sourced from a select group of experts, and finishes with a description of the associated lab-based and real-world feasibility study and proposed research methodology

Optimization of flexible spectrum in optical transport networks

The ever-increasing demand for broadband services by end-user devices utilising 3G/4G/LTE and the projected 5G in the last mile will require sustaining broadband supply from fibre-linked terminals. The eventual outcome of the high demand for broadband is strained optical and electronic devices. The backbone optical fibre transport systems and techniques such as dense wavelength division multiplexing (DWDM), higher modulation formats, coherent detection and signal amplification have increased both fibre capacity and spectrum efficiency. A major challenge to fibre capacity and spectrum efficiency is fibre-faults and optical impairments, network management, routing and wavelength assignment (RWA). In this study, DWDM and flexible spectrum techniques such as wavelength assignment and adjustment, wavelength conversion and switching, optical add and drop multiplexing (OADM) and bitrate variable transmission have been experimentally optimized in a laboratory testbed for short- and long-haul optical fibre networks. This work starts by experimentally optimising different transmitters, fibre-types and receivers suitable for implementing cost effective and energy efficient flexible spectrum networks. Vertical cavity surface-emitting lasers (VCSELs) and distributed feedback (DFB) lasers have been studied to provide up to 10 Gb/s per channel in 1310 nm and 1550 nm transmission windows. VCSELs provide wavelength assignment and adjustment. This work utilises the non-return-to-zero (NRZ) on-off keying (OOK) modulation technique and direct detection due to their cost and simplicity. By using positive intrinsic negative (PIN) photo-receivers with error-free BER sensitivity of -18±1 dBm at the acceptable 10-9-bit error rate (BER) threshold level, unamplified transmission distances between 6 km and 76 km have been demonstrated using G.652 and G.655 single mode fibres (SMFs). For the first time, an all optical VCSEL to VCSEL wavelength conversion, switching, transmission at the 1550 nm window and BER evaluation of a NRZ data signal is experimentally demonstrated. With VCSEL wavelength conversion and switching, wavelength adjustments to a spectrum width of 4.8 nm (600 GHz) can be achieved to provide alternative routes to signals when fibre-cuts and wavelength collision occurs therefore enhancing signal continuity. This work also demonstrates a technique of removing and adding a wavelength in a bundle of DWDM and flexible channels using an OADM. This has been implemented using a VCSEL and a fibre Bragg grating (FBG) providing a wavelength isolation ratio of 31.4 dB and ~0.3 add/drop penalty of 8.5 Gb/s signal. As a result, an OADM improves spectrum efficiency by offering wavelength re-use. Optical impairments such as crosstalk, chromatic dispersion (CD) and effects of polarization mode dispersion (PMD) have been experimentally investigated and mitigated. This work showed that crosstalk penalty increased with fibre-length, bitrate, interfering signal power and reduced channel spacing and as a result, a crosstalk-penalty trade-off is required. Effects of CD on a transmitted 10 Gb/s signal were also investigated and its mitigation techniques used to increase the fibre-reach. This work uses the negative dispersion fibres to mitigate the accumulated dispersion over the distance of transmission. A 5 dB sensitivity improvement is reported for an unamplified 76 km using DFB transmitters and combination of NZDSF true-wave reduced slope (TW-RS) and submarine reduced slope (TW-SRS) with + and – dispersion coefficients respectively. We have also demonstrated up to 52 km 10 Gb/s per channel VCSEL-based transmission and reduced net dispersion. Experimental demonstration of forward Raman amplification has achieved a 4.7 dB on-off gain distributed over a 4.8 nm spectral width and a 1.7 dB improvement of receiver sensitivity in Raman-aided 10 Gb/s per wavelength VCSEL transmission. Finally, 4.25-10 Gb/s PON-based point to point (P2P) and point to multipoint (P2MP) broadcast transmission have been experimentally demonstrated. A 10 Gb/s with a 1:8 passive splitter incurred a 3.7 dB penalty for a 24.7 km fibre-link. In summary, this work has demonstrated cost effective and energy efficient potential flexible spectrum techniques for high speed signal transmission. With the optimized network parameters, flexible spectrum is therefore relevant in short-reach, metro-access and long-haul applications for national broadband networks and the Square Kilometre Array (SKA) fibre-based signal and data transmission

Enabling technologies and cyber-physical systems for mission-critical scenarios

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e Comunicacións en Redes Móbiles . 5029P01[Abstract] Reliable transport systems, defense, public safety and quality assurance in the Industry 4.0 are essential in a modern society. In a mission-critical scenario, a mission failure would jeopardize human lives and put at risk some other assets whose impairment or loss would significantly harm society or business results. Even small degradations of the communications supporting the mission could have large and possibly dire consequences. On the one hand, mission-critical organizations wish to utilize the most modern, disruptive and innovative communication systems and technologies, and yet, on the other hand, need to comply with strict requirements, which are very different to those of non critical scenarios. The aim of this thesis is to assess the feasibility of applying emerging technologies like Internet of Things (IoT), Cyber-Physical Systems (CPS) and 4G broadband communications in mission-critical scenarios along three key critical infrastructure sectors: transportation, defense and public safety, and shipbuilding. Regarding the transport sector, this thesis provides an understanding of the progress of communications technologies used for railways since the implantation of Global System for Mobile communications-Railways (GSM-R). The aim of this work is to envision the potential contribution of Long Term Evolution (LTE) to provide additional features that GSM-R would never support. Furthermore, the ability of Industrial IoT for revolutionizing the railway industry and confront today's challenges is presented. Moreover, a detailed review of the most common flaws found in Radio Frequency IDentification (RFID) based IoT systems is presented, including the latest attacks described in the literature. As a result, a novel methodology for auditing security and reverse engineering RFID communications in transport applications is introduced. The second sector selected is driven by new operational needs and the challenges that arise from modern military deployments. The strategic advantages of 4G broadband technologies massively deployed in civil scenarios are examined. Furthermore, this thesis analyzes the great potential for applying IoT technologies to revolutionize modern warfare and provide benefits similar to those in industry. It identifies scenarios where defense and public safety could leverage better commercial IoT capabilities to deliver greater survivability to the warfighter or first responders, while reducing costs and increasing operation efficiency and effectiveness. The last part is devoted to the shipbuilding industry. After defining the novel concept of Shipyard 4.0, how a shipyard pipe workshop works and what are the requirements for building a smart pipe system are described in detail. Furthermore, the foundations for enabling an affordable CPS for Shipyards 4.0 are presented. The CPS proposed consists of a network of beacons that continuously collect information about the location of the pipes. Its design allows shipyards to obtain more information on the pipes and to make better use of it. Moreover, it is indicated how to build a positioning system from scratch in an environment as harsh in terms of communications as a shipyard, showing an example of its architecture and implementation.[Resumen] En la sociedad moderna, los sistemas de transporte fiables, la defensa, la seguridad pública y el control de la calidad en la Industria 4.0 son esenciales. En un escenario de misión crítica, el fracaso de una misión pone en peligro vidas humanas y en riesgo otros activos cuyo deterioro o pérdida perjudicaría significativamente a la sociedad o a los resultados de una empresa. Incluso pequeñas degradaciones en las comunicaciones que apoyan la misión podrían tener importantes y posiblemente terribles consecuencias. Por un lado, las organizaciones de misión crítica desean utilizar los sistemas y tecnologías de comunicación más modernos, disruptivos e innovadores y, sin embargo, deben cumplir requisitos estrictos que son muy diferentes a los relativos a escenarios no críticos. El objetivo principal de esta tesis es evaluar la viabilidad de aplicar tecnologías emergentes como Internet of Things (IoT), Cyber-Physical Systems (CPS) y comunicaciones de banda ancha 4G en escenarios de misión crítica en tres sectores clave de infraestructura crítica: transporte, defensa y seguridad pública, y construcción naval. Respecto al sector del transporte, esta tesis permite comprender el progreso de las tecnologías de comunicación en el ámbito ferroviario desde la implantación de Global System for Mobile communications-Railway (GSM-R). El objetivo de este trabajo es analizar la contribución potencial de Long Term Evolution (LTE) para proporcionar características adicionales que GSM-R nunca podría soportar. Además, se presenta la capacidad de la IoT industrial para revolucionar la industria ferroviaria y afrontar los retos actuales. Asimismo, se estudian con detalle las vulnerabilidades más comunes de los sistemas IoT basados en Radio Frequency IDentification (RFID), incluyendo los últimos ataques descritos en la literatura. Como resultado, se presenta una metodología innovadora para realizar auditorías de seguridad e ingeniería inversa de las comunicaciones RFID en aplicaciones de transporte. El segundo sector elegido viene impulsado por las nuevas necesidades operacionales y los desafíos que surgen de los despliegues militares modernos. Para afrontarlos, se analizan las ventajas estratégicas de las tecnologías de banda ancha 4G masivamente desplegadas en escenarios civiles. Asimismo, esta tesis analiza el gran potencial de aplicación de las tecnologías IoT para revolucionar la guerra moderna y proporcionar beneficios similares a los alcanzados por la industria. Se identifican escenarios en los que la defensa y la seguridad pública podrían aprovechar mejor las capacidades comerciales de IoT para ofrecer una mayor capacidad de supervivencia al combatiente o a los servicios de emergencias, a la vez que reduce los costes y aumenta la eficiencia y efectividad de las operaciones. La última parte se dedica a la industria de construcción naval. Después de definir el novedoso concepto de Astillero 4.0, se describe en detalle cómo funciona el taller de tubería de astillero y cuáles son los requisitos para construir un sistema de tuberías inteligentes. Además, se presentan los fundamentos para posibilitar un CPS asequible para Astilleros 4.0. El CPS propuesto consiste en una red de balizas que continuamente recogen información sobre la ubicación de las tuberías. Su diseño permite a los astilleros obtener más información sobre las tuberías y hacer un mejor uso de las mismas. Asimismo, se indica cómo construir un sistema de posicionamiento desde cero en un entorno tan hostil en términos de comunicaciones, mostrando un ejemplo de su arquitectura e implementación