RIS-assisted Scheduling for High-Speed Railway Secure Communications

With the rapid development of high-speed railway systems and railway wireless communication, the application of ultra-wideband millimeter wave band is an inevitable trend. However, the millimeter wave channel has large propagation loss and is easy to be blocked. Moreover, there are many problems such as eavesdropping between the base station (BS) and the train. As an emerging technology, reconfigurable intelligent surface (RIS) can achieve the effect of passive beamforming by controlling the propagation of the incident electromagnetic wave in the desired direction.We propose a RIS-assisted scheduling scheme for scheduling interrupted transmission and improving quality of service (QoS).In the propsed scheme, an RIS is deployed between the BS and multiple mobile relays (MRs). By jointly optimizing the beamforming vector and the discrete phase shift of the RIS, the constructive interference between direct link signals and indirect link signals can be achieved, and the channel capacity of eavesdroppers is guaranteed to be within a controllable range. Finally, the purpose of maximizing the number of successfully scheduled tasks and satisfying their QoS requirements can be practically realized. Extensive simulations demonstrate that the proposed scheme has superior performance regarding the number of completed tasks and the system secrecy capacity over four baseline schemes in literature.Comment: 15 pages, 10 figures, to appear in IEEE Transactions on Vehicular Technolog

Context-Awareness Enhances 5G Multi-Access Edge Computing Reliability

The fifth generation (5G) mobile telecommunication network is expected to support Multi- Access Edge Computing (MEC), which intends to distribute computation tasks and services from the central cloud to the edge clouds. Towards ultra-responsive, ultra-reliable and ultra-low-latency MEC services, the current mobile network security architecture should enable a more decentralized approach for authentication and authorization processes. This paper proposes a novel decentralized authentication architecture that supports flexible and low-cost local authentication with the awareness of context information of network elements such as user equipment and virtual network functions. Based on a Markov model for backhaul link quality, as well as a random walk mobility model with mixed mobility classes and traffic scenarios, numerical simulations have demonstrated that the proposed approach is able to achieve a flexible balance between the network operating cost and the MEC reliability.Comment: Accepted by IEEE Access on Feb. 02, 201

Mobile 5G Network Deployment Scheme on High-Speed Railway

The fifth-generation (5G) wireless communication has experienced an upsurge of interest for empowering vertical industries, due to its high data volume, extremely low latency, high reliability, and significant improvement in user experience. Specifically, deploying 5G on high-speed railway (HSR) is critical for the promotion of smart travelling such that passengers can connect to the Internet and utilize the on-board time to continue their usual activities. However, there remains a series of challenges in practical implementation, such as the serious Doppler shift caused by the high mobility, the carriage penetration loss especially in the high-frequency bands, frequent handovers, and economic issues. To address these challenges, we propose three schemes in this article to improve the coverage of 5G networks on the train. In particular, we provide a comprehensive description of each scheme in terms of their network architecture and service establishment procedures. Specifically, the mobile edge computing (MEC) is used as the key technology to provide low-latency services for on-board passengers. Moreover, these three schemes are compared among themselves regarding the quality-of-service, the scalability of service, and the related industry development status. Finally, we discuss various potential research directions and open issues in terms of deploying 5G networks on HSR

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

A Comprehensive Survey on Moving Networks

The unprecedented increase in the demand for mobile data, fuelled by new emerging applications such as HD video streaming and heightened online activities has caused massive strain on the existing cellular networks. As a solution, the 5G technology has been introduced to improve network performance through various innovative features such as mmWave spectrum and HetNets. In essence, HetNets include several small cells underlaid within macro-cell to serve densely populated regions. Recently, a mobile layer of HetNet has been under consideration by the researchers and is often referred to as moving networks. Moving networks comprise of mobile cells that are primarily introduced to improve QoS for commuting users inside public transport because the QoS is deteriorated due to vehicular penetration losses. Furthermore, the users inside fast moving public transport also exert excessive load on the core network due to large group handovers. To this end, mobile cells will play a crucial role in reducing overall handover count and will help in alleviating these problems by decoupling in-vehicle users from the core network. To date, remarkable research results have been achieved by the research community in addressing challenges linked to moving networks. However, to the best of our knowledge, a discussion on moving networks in a holistic way is missing in the current literature. To fill the gap, in this paper, we comprehensively survey moving networks. We cover the technological aspects and their applications in the futuristic applications. We also discuss the use-cases and value additions that moving networks may bring to future cellular architecture and identify the challenges associated with them. Based on the identified challenges we discuss the future research directions.Comment: This survey has been submitted to IEEE Communications Surveys & Tutorial