End-to-End Simulation of 5G mmWave Networks

Due to its potential for multi-gigabit and low latency wireless links, millimeter wave (mmWave) technology is expected to play a central role in 5th generation cellular systems. While there has been considerable progress in understanding the mmWave physical layer, innovations will be required at all layers of the protocol stack, in both the access and the core network. Discrete-event network simulation is essential for end-to-end, cross-layer research and development. This paper provides a tutorial on a recently developed full-stack mmWave module integrated into the widely used open-source ns--3 simulator. The module includes a number of detailed statistical channel models as well as the ability to incorporate real measurements or ray-tracing data. The Physical (PHY) and Medium Access Control (MAC) layers are modular and highly customizable, making it easy to integrate algorithms or compare Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) numerologies, for example. The module is interfaced with the core network of the ns--3 Long Term Evolution (LTE) module for full-stack simulations of end-to-end connectivity, and advanced architectural features, such as dual-connectivity, are also available. To facilitate the understanding of the module, and verify its correct functioning, we provide several examples that show the performance of the custom mmWave stack as well as custom congestion control algorithms designed specifically for efficient utilization of the mmWave channel.Comment: 25 pages, 16 figures, submitted to IEEE Communications Surveys and Tutorials (revised Jan. 2018

Lightweight Simulation of Hybrid Aerial- and Ground-based Vehicular Communication Networks

Cooperating small-scale Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) will open up new application fields within next-generation Intelligent Transportation Sytems (ITSs), e.g., airborne near field delivery. In order to allow the exploitation of the potentials of hybrid vehicular scenarios, reliable and efficient bidirectional communication has to be guaranteed in highly dynamic environments. For addressing these novel challenges, we present a lightweight framework for integrated simulation of aerial and ground-based vehicular networks. Mobility and communication are natively brought together using a shared codebase coupling approach, which catalyzes the development of novel context-aware optimization methods that exploit interdependencies between both domains. In a proof-of-concept evaluation, we analyze the exploitation of UAVs as local aerial sensors as well as aerial base stations. In addition, we compare the performance of Long Term Evolution (LTE) and Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) for connecting the ground- and air-based vehicles

Vehicular Communication in Obstructed and Non Line-of-Sight Scenarios

Since the invention of the first car available to masses, the 1908 Ford Model T, technology has advanced towards making car travel safer for occupants and bystanders. In recent years, wireless communication has been introduced in the vehicular industry as a means to avoid accidents and save lives.Wireless communication may sometimes be challenging due to obstacles in the physical world that interact with wireless signals. Such obstacles may be dynamic, e.g. other vehicles in the traffic flow, or static, e.g. nearby buildings. Two scenarios are defined to describe those cases. The obstructed line-of-sight (OLOS) scenario is described as the case where a smaller obstacle, usually a vehicle, is placed in-between a transmitter and a receiver. This obstacle usually partially blocks communication and the receiver often moves in an out of the line-of-sight. The non line-of-sight (NLOS) scenario is described as the case where a larger obstacle completely blocks communication between a transmitter and a receiver. An example would be a building at an intersection which shadows the communication between two vehicles. In this thesis the OLOS and NLOS scenarios are investigated from different points of view.In chapter 2, a road side unit (RSU) that has been constructed and evaluated for integrating older vehicles without wireless communication with newer vehicles using wireless communication is described. Older vehicles are being detected using a universal medium-range radar and their position and speed vectors are broadcasted wirelessly to newer vehicles. Tests have been performed by using the system in parallel with wireless enabled vehicles; by comparing the content in the messages obtained from both systems, the RSU has been found to perform adequately. Accuracy tests have been performed on the system and Kalman filtering has been applied to improve the accuracy even further.Chapter 3 focuses on the OLOS scenario. A truck as an obstacle for wireless vehicular communication is being investigated. Real life measurements have been performed to characterize and model the wireless channel around the truck. The distance dependent path loss and additional shadowing loss due to the truck is analyzed through dynamic measurements. The large scale fading, delay and Doppler spreads are characterized as a measure of the channel dispersion in the time and frequency domains. It has been found that a truck as an obstacle reduces the received power by 12 and 13 dB on average in rural and highway scenarios, respectively. Also, the dispersion in time and frequency domains is highly increased when the line-of-sight is obstructed by the truck. A model for power contributions due to diffraction around the truck has also been proposed and evaluated using the previously mentioned real life measurements. It has been found that communication may actually be possible using solely diffraction around a truck as a propagation mechanism.Finally, in chapter 4 a wireless channel emulator that has been constructed and evaluated is described. Modem manufacturers face a challenge when designing and implementing equipment for highly dynamic environments found in vehicular communication. For testing and evaluation real-life measurements with vehicles are required, which is often an expensive and slow process. The channel emulator proposed is designed and implemented using a software defined radio (SDR). The emulator together with the proposed test methodology enables quick on-bench evaluation of wireless modems. It may also be used to evaluate modem performance in different NLOS and OLOS scenarios

W-NINE: a two-stage emulation platform for mobile and wireless systems

More and more applications and protocols are now running on wireless networks. Testing the implementation of such applications and protocols is a real challenge as the position of the mobile terminals and environmental effects strongly affect the overall performance. Network emulation is often perceived as a good trade-off between experiments on operational wireless networks and discrete-event simulations on Opnet or ns-2. However, ensuring repeatability and realism in network emulation while taking into account mobility in a wireless environment is very difficult. This paper proposes a network emulation platform, called W-NINE, based on off-line computations preceding online pattern-based traffic shaping. The underlying concepts of repeatability, dynamicity, accuracy and realism are defined in the emulation context. Two different simple case studies illustrate the validity of our approach with respect to these concepts

Modelling and Real Deployment of C-ITS by Integrating Ground Vehicles and Unmanned Aerial Vehicles

[ES] Para proporcionar un entorno de tráfico vial más seguro y eficiente, los sistemas ITS o Sistemas Inteligentes de Transporte representan como una solución dotada de avances tecnológicos de vanguardia. La integración de elementos de transporte como automóviles junto con elementos de infraestructura como RoadSide Units (RSUs) ubicados a lo largo de la vía de comunicación permiten ofrecer un entorno de red conectado con múltiples servicios, incluida conectividad a Internet. Esta integración se conoce con el término C-ITS o Sistemas Inteligentes de Transporte Cooperativos. La conexión de automóviles con dispositivos de infraestructura permite crear redes vehiculares conectadas (V2X) vehículo a dispositivos, que ofrecen la posibilidad de nuevos despliegues en aplicaciones C-ITS como las relacionadas con la seguridad. Hoy en día, con el uso masivo de teléfonos inteligentes y debido a su flexibilidad y movilidad, existen varios esfuerzos para integrarlos con los automóviles. De hecho, con el soporte adecuado de unidad a bordo (OBU), los teléfonos inteligentes se pueden integrar perfectamente con las redes vehiculares, permitiendo a los conductores usar sus teléfonos inteligentes como dispositivos de bordo a que participan en los servicios C-ITS, con el objeto de mejorar la seguridad al volante entre otros. Tópico este, que hoy día representa un tema relevante de investigación. Un problema a solucionar surge cuando las comunicaciones vehiculares sufren inferencias y bloqueos de la señal debidos al escenario. De hecho, el impacto de la vegetación y los edificios, ya sea en áreas urbanas y rurales, puede afectar a la calidad de la señal. Algunas estrategias para mejorar la comunicación vehicular en este tipo de entorno consiste en desplegar UAVs o vehículo aéreo no tripulado (drones), los cuales actúan como enlaces de comunicación entre vehículos. De hecho, UAV ofrece importantes ventajas de implementación, ya que tienen una gran flexibilidad en términos de movilidad, además de un rango de comunicaciones mejorado. Para evaluar la calidad de las comunicaciones, debe realizarse un conjunto de mediciones. Sin embargo, debido al costo de las implementaciones reales de UAV y automóviles, los experimentos reales podrían no ser factibles para actividades de investigación con recursos limitados. Por lo tanto, los experimentos de simulación se convierten en la opción preferida para evaluar las comunicaciones entre UAV y vehículos terrestres. Lograr modelos de propagación de señal correctos y representativos que puedan importarse a los entornos de simulación se vuelve crucial para obtener un mayor grado de realismo, especialmente para simulaciones que involucran el movimiento de UAVs en cualquier lugar del espacio 3D. En particular, la información de elevación del terreno debe tenerse en cuenta al intentar caracterizar los efectos de propagación de la señal. En esta tesis doctoral, proponemos nuevos enfoques tanto teóricos como empíricos para estudiar la integración de redes vehiculares que combinan automóviles y UAVs, así mismo el impacto del entorno en la calidad de las comunicaciones. Esta tesis presenta una aplicación, una metodología de medición en escenarios reales y un nuevo modelo de simulación, los cuales contribuyen a modelar, desarrollar e implementar servicios C-ITS. Más específicamente, proponemos un modelo de simulación que tiene en cuenta las características del terreno en 3D, para lograr resultados confiables de comunicación entre UAV y vehículos terrestres.[CA] Per a proporcionar un entorn de trànsit viari més segur i eficient, els sistemes ITS o Sistemes Intel·ligents de Transport representen una solució dotada d'avanços tecnològics d'avantguarda. La integració d'elements de transport com auto móvils juntament amb elements d'infraestructura com Road Side Units (RSUs) situats al llarg de lav via de comunicació permeten oferir un entorn de xarxa connectat amb multiples serveis, inclusa connectivitat a Internet. Aquesta integració es connex amb el terme C-ITS o Sistemes Intel·ligents de Transport Cooperatius , com ara els automòbils, amb elements d'infraestructura, com ara les road side units (RSU) o pals situats al llarg de la carretera, per a aconseguir un entorn de xarxa que oferisca nous serveis a més de connectivitat a Internet. Aquesta integració s'expressa amb el terme C-ITS, o sistemes intel·ligents de transport cooperatius. La connexió d'automòbils amb dispositius d'infraestructura permet crear xarxes vehiculars connectades (V2X) vehicle a dispositiu, que ofreixen la possibilitat de nous desplegaments en aplicacions C-ITS, com ara les relacionades amb la seguretat. Avui dia, amb l'ús massiu dels telèfons intel·ligents, i a causa de la flexibilitat i mobilitat que presenten, es fan esforços per integrar-los amb els automòbils. De fet, amb el suport adequat d'unitat a bord (OBU), els telèfons intel·ligents es poden integrar perfectament amb les xarxes vehiculars, permetent als conductors usar els seus telèfons intel·ligents com a dispositius per a participar en els serveis de C-ITS, a fi de millorar la seguretat al volant entre altres. Tòpic est, que hui dia representa un tema rellevant d'investigació. Un problema a solucionar sorgeix quan les comunicacions vehiculars ateixen inferències i bloquejos del senyal deguts a l'escenari. De fet, l'impacte de la vegetació i els edificis, tant en àrees urbanes com rurals, pot afectar la qualitat del senyal. Algunes estratègies de millorar la comunicació vehicular en aquest tipus d'entorn consisteix a desplegar UAVs o vehicles aeris no tripulats (drones), els quals actuen com a enllaços de comunicació entre vehicles. De fet, l'ús d'UAVs ofereix importants avantatges d'implementació, ja que tenen una gran flexibilitat en termes de mobilitat, a més d'un rang de comunicacions millorat. Per a avaluar la qualitat de les comunicacions, s'han de realitzar mesures en escenaris reals. No obstant això, a causa del cost de les implementacions i desplegaments reals d'UAV i el seu ús combinat amb vehicles, aquests experiments reals podrien no ser factibles per a activitats d'investigació amb recursos limitats. Per tant, la metodologia basada en simulació es converteixen en l'opció preferida entre els investigadors per a avaluar les comunicacions entre UAV i vehicles terrestres. Aconseguir models de propagació de senyal correctes i representatius que puguen importar-se als entorns de simulació resulta crucial per a obtenir un major grau de realisme, especialment per a simulacions que involucren el moviment d'UAV en qualsevol lloc de l'espai 3D. En particular, cal tenir en compte la informació d'elevació del terreny per a intentar caracteritzar els efectes de propagació del senyal. En aquesta tesi doctoral proposem enfocaments tant teòrics com empírics per a estudiar la integració de xarxes vehiculars que combinen automòbils i UAV, així com l'impacte de l'entorn en la qualitat de les comunicacions. Aquesta tesi presenta una aplicació, una metodología de mesurament en escenaris reals i un nou model de simulació, els quals contribueixen a modelar, desenvolupar i implementar serveis C-ITS. Més específicament, proposem un model de simulació que té en compte les característiques del terreny en 3D, per a aconseguir resultats fiables de comunicació entre UAV i vehicles terrestres.[EN] To provide a safer road traffic environment and make it more convenient, Intelligent Transport Systems (ITSs) are proposed as a solution endowed with cutting-edge technological advances. The integration of transportation elements like cars together with infrastructure elements like Road Side Units to achieve a networking environment offers new services in addition to Internet connectivity. This integration comes under the term Cooperative Intelligent Transport System (C-ITS). Connecting cars with surrounding devices forming vehicular networks in Vehicle-to-Everything (V2X) open new deployments in C-ITS applications like safety-related ones. With the massive use of smartphones nowadays, and due to their flexibility and mobility, several efforts exist to integrate them with cars. In fact, with the right support from the vehicle's On-Board Unit (OBU), smartphones can be seamlessly integrated with vehicular networks. Hence, drivers can use their smartphones as a device to participate in C-ITS services for safety purposes, among others, which is a quite interesting research topic. A significant problem arises when vehicular communications face signal obstructions caused by the environment. In fact, the impact of vegetation and buildings, whether in urban and rural areas, can result in a lower signal quality. One way to enhance vehicular communication networks is to deploy Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to act as relays for communication between cars, or ground vehicles. In fact, UAVs offer important deployment advantages, as they offer great flexibility in terms of mobility, in addition to an enhanced communications range. To assess the quality of the communications, a set of measurements must take place. However, due to the cost of real deployments of UAVs and cars, real experiments might not be feasible for research activities with limited resources. Hence, simulation experiments become the preferred option to assess UAV-to- car communications. Achieving correct and representative signal propagation models that can be imported to the simulation environments becomes crucial to obtain a higher degree of realism, especially for simulations involving UAVs moving anywhere throughout the 3D space. In particular, terrain elevation information must be taken into account when attempting to characterize signal propagation effects. In this research work, we propose both theoretical and empirical approaches to study the integration of vehicular networks combining cars and UAVs, and we study the impact of the surrounding environment on the communications quality. An application, a measurement framework, and a simulation model are presented in this thesis in an effort to model, develop, and deploy C-ITS services. More specifically, we propose a simulation model that takes into account 3D terrain features to achieve reliable UAV-to-car communication results.I want to thank the Spanish government through the Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) and the European Union Commission through the European Social Fund (ESF) for co-financing and granting me the fellowship to fund my studies in Spain and my research stay in Russia. In addition, I would to thank the National Institute of Informatics for granting me the internship fund and the Japanese government through the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) for supporting my research work in Japan.Hadiwardoyo, SA. (2019). Modelling and Real Deployment of C-ITS by Integrating Ground Vehicles and Unmanned Aerial Vehicles [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/118796TESI

Improving Vehicular ad hoc Network Protocols to Support Safety Applications in Realistic Scenarios

La convergencia de las telecomunicaciones, la informática, la tecnología inalámbrica y los sistemas de transporte, va a facilitar que nuestras carreteras y autopistas nos sirvan tanto como plataforma de transporte, como de comunicaciones. Estos cambios van a revolucionar completamente cómo y cuándo vamos a acceder a determinados servicios, comunicarnos, viajar, entretenernos, y navegar, en un futuro muy cercano. Las redes vehiculares ad hoc (vehicular ad hoc networks VANETs) son redes de comunicación inalámbricas que no requieren de ningún tipo de infraestructura, y que permiten la comunicación y conducción cooperativa entre los vehículos en la carretera. Los vehículos actúan como nodos de comunicación y transmisores, formando redes dinámicas junto a otros vehículos cercanos en entornos urbanos y autopistas. Las características especiales de las redes vehiculares favorecen el desarrollo de servicios y aplicaciones atractivas y desafiantes. En esta tesis nos centramos en las aplicaciones relacionadas con la seguridad. Específicamente, desarrollamos y evaluamos un novedoso protocol que mejora la seguridad en las carreteras. Nuestra propuesta combina el uso de información de la localización de los vehículos y las características del mapa del escenario, para mejorar la diseminación de los mensajes de alerta. En las aplicaciones de seguridad para redes vehiculares, nuestra propuesta permite reducir el problema de las tormentas de difusión, mientras que se mantiene una alta efectividad en la diseminación de los mensajes hacia los vehículos cercanos. Debido a que desplegar y evaluar redes VANET supone un gran coste y una tarea dura, la metodología basada en la simulación se muestra como una metodología alternativa a la implementación real. A diferencia de otros trabajos previos, con el fin de evaluar nuestra propuesta en un entorno realista, en nuestras simulaciones tenemos muy en cuenta tanto la movilidad de los vehículos, como la transmisión de radio en entornos urbanos, especialmente cuando los edificios interfieren en la propagación de la señal de radio. Con este propósito, desarrollamos herramientas para la simulación de VANETs más precisas y realistas, mejorando tanto la modelización de la propagación de radio, como la movilidad de los vehículos, obteniendo una solución que permite integrar mapas reales en el entorno de simulación. Finalmente, evaluamos las prestaciones de nuestro protocolo propuesto haciendo uso de nuestra plataforma de simulación mejorada, evidenciando la importancia del uso de un entorno de simulación adecuado para conseguir resultados más realistas y poder obtener conclusiones más significativas.Martínez Domínguez, FJ. (2010). Improving Vehicular ad hoc Network Protocols to Support Safety Applications in Realistic Scenarios [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/9195Palanci