Study on 3GPP Rural Macrocell Path Loss Models for Millimeter Wave Wireless Communications

Little research has been done to reliably model millimeter wave (mmWave) path loss in rural macrocell settings, yet, models have been hastily adopted without substantial empirical evidence. This paper studies past rural macrocell (RMa) path loss models and exposes concerns with the current 3rd Generation Partnership Project (3GPP) TR 38.900 (Release 14) RMa path loss models adopted from the International Telecommunications Union - Radiocommunications (ITU-R) Sector. This paper shows how the 3GPP RMa large-scale path loss models were derived for frequencies below 6 GHz, yet they are being asserted for use up to 30 GHz, even though there has not been sufficient work or published data to support their validity at frequencies above 6 GHz or in the mmWave bands. We present the background of the 3GPP RMa path loss models and their use of odd correction factors not suitable for rural scenarios, and show that the multi-frequency close-in free space reference distance (CI) path loss model is more accurate and reliable than current 3GPP and ITU-R RMa models. Using field data and simulations, we introduce a new close-in free space reference distance with height dependent path loss exponent model (CIH), that predicts rural macrocell path loss using an effective path loss exponent that is a function of base station antenna height. This work shows the CI and CIH models can be used from 500 MHz to 100 GHz for rural mmWave coverage and interference analysis, without any discontinuity at 6 GHz as exists in today's 3GPP and ITU-R RMa models.Comment: To be published in 2017 IEEE International Conference on Communications (ICC), Paris, France, May 201

Novel Models and Algorithms Paving the Road towards RF Convergence

After decades of rapid evolution in electronics and signal processing, the technologies in communications, positioning, and sensing have achieved considerable progress. Our daily lives are fundamentally changed and substantially defined by the advancement in these technologies. However, the trend is challenged by a well-established fact that the spectrum resources, like other natural resources, are gradually becoming scarce. This thesis carries out research in the field of RF convergence, which is regarded as a mean to intelligently exploit spectrum resources, e.g., by finding novel methods of optimising and sharing tasks between communication, positioning, and sensing. The work has been done to closely explore opportunities for supporting the RF convergence. As a supplement for the electromagnetic waves propagation near the ground, ground-to-air channel models are first proposed and analysed, by incorporating the atmospheric effects when the altitude of aerial users is higher than 300 m. The status quos of techniques in communications, positioning, and sensing are separately reviewed, and our newly developments in each field are briefly introduced. For instance, we study the MIMO techniques for interference mitigation on aerial users; we construct the reflected echoes, i.e., the radar receiving, for the joint sensing and communications system. The availability of GNSS signals is of vital importance to the GNSS-enabled services, particularly the life-critical applications. To enhance the resilience of GNSS receivers, the RF fingerprinting based anti-spoofing techniques are also proposed and discussed. Such a guarantee on GNSS and ubiquitous GNSS services drive the utilisation of location information, also needed for communications, hence the proposal of a location-based beamforming algorithm. The superposition coding scheme, as an attempt of the waveform design, is also brought up for the joint sensing and communications. The RF convergence will come with many facets: the joint sensing and communications promotes an efficient use of frequency spectrum; the positioning-aided communications encourage the cooperation between systems; the availability of robust global positioning systems benefits the applications relying on the GNSS service

Contributions to IEEE 802.11-based long range communications

The most essential part of the Internet of Things (IoT) infrastructure is the wireless communication system that acts as a bridge for the delivery of data and control messages between the connected things and the Internet. Since the conception of the IoT, a large number of promising applications and technologies have been developed, which will change different aspects in our daily life. However, the existing wireless technologies lack the ability to support a huge amount of data exchange from many battery-driven devices, spread over a wide area. In order to support the IoT paradigm, IEEE 802.11ah is an Internet of Things enabling technology, where the efficient management of thousands of devices is a key function. This is one of the most promising and appealing standards, which aims to bridge the gap between traditional mobile networks and the demands of the IoT. To this aim, IEEE 802.11ah provides the Restricted Access Window (RAW) mechanism, which reduces contention by enabling transmissions for small groups of stations. Optimal grouping of RAW stations requires an evaluation of many possible configurations. In this thesis, we first discuss the main PHY and MAC layer amendments proposed for IEEE 802.11ah. Furthermore, we investigate the operability of IEEE 802.11ah as a backhaul link to connect devices over possibly long distances. Additionally, we compare the aforementioned standard with previous notable IEEE 802.11 amendments (i.e. IEEE 802.11n and IEEE 802.11ac) in terms of throughput (with and without frame aggregation) by utilizing the most robust modulation schemes. The results show an improved performance of IEEE 802.11ah (in terms of power received at long range while experiencing different packet error rates) as compared to previous IEEE 802.11 standards. Additionally, we expose the capabilities of future IEEE 802.11ah in supporting different IoT applications. In addition, we provide a brief overview of the technology contenders that are competing to cover the IoT communications framework. Numerical results are presented showing how the future IEEE 802.11ah specification offers the features required by IoT communications, thus putting forward IEEE 802.11ah as a technology to cater the needs of the Internet of Things paradigm. Finally, we propose an analytical model (named e-model) that provides an evaluation of the RAW onfiguration performance, allowing a fast adaptation of RAW grouping policies, in accordance to varying channel conditions. We base the e-model in known saturation models, which we adapted to include the IEEE 802.11ah’s PHY and MAC layer modifications and to support different bit rate and packet sizes. As a proof of concept, we use the proposed model to compare the performance of different grouping strategies,showing that the e-model is a useful analysis tool in RAW-enabled scenarios. We validate the model with existing IEEE 802.11ah implementation for ns-3.La clave del concepto Internet de las cosas (IoT) es que utiliza un sistema de comunicación inalámbrica, el cual actúa como puente para la entrega de datos y mensajes de control entre las "cosas" conectadas y el Internet. Desde la concepción del IoT, se han desarrollado gran cantidad de aplicaciones y tecnologías prometedoras que cambiarán distintos aspectos de nuestra vida diaria.Sin embargo, las tecnologías de redes computacionales inalámbricas existentes carecen de la capacidad de soportar las características del IoT, como las grandes cantidades de envío y recepción de datos desde múltiples dispositivos distribuidos en un área amplia, donde los dispositivos IoT funcionan con baterías. Para respaldar el paradigma del IoT, IEEE 802.11ah, la cual es una tecnología habilitadora del Internet de las cosas, para el cual la gestión eficiente de miles de dispositivos es una función clave. IEEE 802.11ah es uno de los estándares más prometedores y atractivos, desde su concepción orientada para IoT, su objetivo principal es cerrar la brecha entre las redes móviles tradicionales y la demandada por el IoT. Con este objetivo en mente, IEEE 802.11ah incluye entre sus características especificas el mecanismo de ventana de acceso restringido (RAW, por sus siglas en ingles), el cual define un nuevo período de acceso al canal libre de contención, reduciendo la misma al permitir transmisiones para pequeños grupos de estaciones. Nótese que para obtener una agrupación óptima de estaciones RAW, se requiere una evaluación de las distintas configuraciones posibles. En esta tesis, primero discutimos las principales mejoras de las capas PHY y MAC propuestas para IEEE 802.11ah. Además, investigamos la operatividad de IEEE 802.11ah como enlace de backhaul para conectar dispositivos a distancias largas. También, comparamos el estándar antes mencionado con las notables especificaciones IEEE 802.11 anteriores (es decir, IEEE 802.11n y IEEE 802.11ac), en términos de rendimiento (incluyendo y excluyendo la agregación de tramas de datos) y utilizando los esquemas de modulación más robustos. Los resultados muestran mejores resultados en cuanto al rendimiento de IEEE 802.11ah (en términos de potencia recibida a largo alcance, mientras se experimentan diferentes tasas de error de paquetes de datos) en comparación con los estándares IEEE 802.11 anteriores.Además, exponemos las capacidades de IEEE 802.11ah para admitir diferentes aplicaciones de IoT. A su vez, proporcionamos una descripción general de los competidores tecnológicos, los cuales contienden para cubrir el marco de comunicaciones IoT. También se presentan resultados numéricos que muestran cómo la especificación IEEE 802.11ah ofrece las características requeridas por las comunicaciones IoT, presentando así a IEEE 802.11ah como una tecnología que puede satisfacer las necesidades del paradigma de Internet de las cosas.Finalmente, proponemos un modelo analítico (denominado e-model) que proporciona una evaluación del rendimiento utilizando la característica RAW con múltiples configuraciones, el cual permite una rápida adaptación de las políticas de agrupación RAW, de acuerdo con las diferentes condiciones del canal de comunicación. Basamos el e-model en modelos de saturación conocidos, que adaptamos para incluir las modificaciones de la capa MAC y PHY de IEEE 802.11ah y para poder admitir diferentes velocidades de transmisión de datos y tamaños de paquetes. Como prueba de concepto, utilizamos el modelo propuesto para comparar el desempeño de diferentes estrategias de agrupación, mostrando que el e-model es una herramienta de análisis útil en escenarios habilitados para RAW. Cabe mencionar que también validamos el modelo con la implementación IEEE 802.11ah existente para ns-3

Serious Game Engineering and Lighting Models for the Realistic Emulation of 5G Systems

[ES] La quinta generación de comunicaciones móviles, 5G, promete ser una revolución tecnológica que vaya más allá de multiplicar la velocidad de transmisión de datos de sus predecesoras. Pretende soportar una gran cantidad de dispositivos y alcanzar latencias muy cercanas a 1 milisegundo. Para satisfacer estos ambiciosos requisitos, se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras. Una de ellas es el uso de las bandas de ondas milimétricas (mmW) en las cuales hay una gran cantidad de espectro disponible. Para predecir las características del canal radio y evaluar las prestaciones de la 5G de forma fiable en las bandas mmW se requieren modelos de canal complejos. Concretamente, los modelos de propagación más precisos son los basados en trazado de rayos, pero su alto costo computacional los hacen inviables para la caracterización del canal radio en escenarios complejos. Por otro lado, en los últimos años, la tecnología de videojuegos ha desarrollado potentes herramientas para modelar la propagación de la luz en escenarios superrealistas. Dada la cercanía espectral entre el espectro visible y las ondas mmW, la presente Tesis ha estudiado la aplicación de las herramientas de modelado de propagación de la luz de los motores de juego para el modelado del canal radio en mmW. Esta Tesis propone un modelo de estimación de las pérdidas de propagación en mmW llamado "Modelo de Intensidad de Luz'' (LIM). Usando este modelo, basado en los procesos de iluminación realizados por los motores de juego, los transmisores de señal se sustituyen por focos de luz y la intensidad lumínica recibida en un punto se traduce a potencia de señal en milimétricas a través de una función polinómica sencilla. Una de las ventajas de usar los motores de juego es su gran capacidad y la facilidad que tiene el usuario para crear escenarios superrealistas que representen fielmente la geometría de escenarios donde se quiera evaluar el canal radio. De esta forma se pueden obtener estimaciones precisas de las pérdidas de propagación. La estimación de las pérdidas de propagación con LIM ha sido comparada con campañas de medida en las bandas de 28 GHz y 73 GHz y con otros modelos de propagación. Como resultado, el error de estimación de LIM es menor que los modelos estocásticos actuales y es comparable con el modelo de trazado de rayos. Y, además, el coste computacional de LIM comparado con el trazado de rayos es 130 veces menor, lo que posibilita el uso de LIM en escenarios altamente complejos para la estimación del canal radio en tiempo real. Los motores de juego permiten caracterizar de forma diferente la interacción de los materiales con la luz configurando el mapa de normales de sus superficies y sus funciones de dispersión y reflexión. En esta Tesis se ha determinado la caracterización de varios materiales que mejor se ajusta a medidas de laboratorio realizadas en un escenario controlado en la banda de 28 GHz. El modelo de LIM empleando materiales con esta caracterización óptima reduce más de un 50\% su error de estimación con respecto a la aplicación de LIM con los materiales por defecto, mientras que su coste computacional sigue siendo 26 veces menor que el modelo de trazado de rayos. Finalmente, se ha desarrollado sobre un motor de juego una primera versión de plataforma para la emulación de los sistemas 5G que es el punto de partida para un emulador completo de 5G. Esta plataforma no sólo contiene el modelo de LIM sino que incluye varios casos de uso de la 5G en entornos superrealistas. La plataforma, que se basa en el concepto de "Serious Game Engineering", rompe las limitaciones de los simuladores de redes móviles en cuanto a las capacidades de visualización e interacción del usuario con los componentes de la red en tiempo real.[CA] La cinquena generació de comunicacions mòbils, 5G, promet ser una revolució tecnològica que vaja més enllà de multiplicar la velocitat de transmissió de dades de les seues predecessores. Pretén suportar una gran quantitat de dispositius i aconseguir latències molt pròximes a 1 mil·lisegon. Per a satisfer aquests ambiciosos requisits, s'han investigat noves tecnologies habilitadores. Una d'elles és l'ús de les bandes d'ones mil·limètriques (mmW) en les quals hi ha una gran quantitat d'espectre disponible. Per a predir les característiques del canal ràdio i avaluar les prestacions de la 5G de forma fiable en les bandes mmW es requereixen models de canal complexos. Concretament, els models de propagació més precisos són els basats en traçat de rajos, però el seu alt cost computacional els fan inviables per a la caracterització del canal ràdio en escenaris complexos. D'altra banda, en els últims anys, la tecnologia de videojocs ha desenvolupat potents eines per a modelar la propagació de la llum en escenaris superrealistes. Donada la proximitat espectral entre l'espectre visible i les ones mmW, la present Tesi ha estudiat l'aplicació de les eines de modelatge de propagació de la llum dels motors de joc per al modelatge del canal radie en mmW. Aquesta Tesi proposa un model d'estimació de les pèrdues de propagació en mmW anomenat "Model d'Intensitat de Llum'' (LIM). Usant aquest model, basat en els processos d'il·luminació realitzats pels motors de joc, els transmissors de senyal se substitueixen per focus de llum i la intensitat lumínica rebuda en un punt es tradueix a potència de senyal en mil·limètriques a través d'una funció polinòmica senzilla. Una dels avantatges d'usar els motors de joc és la seua gran capacitat i la facilitat que té l'usuari per a crear escenaris superrealistes que representen fidelment la geometria d'escenaris on es vulga avaluar el canal ràdio. D'aquesta forma es poden obtindre estimacions precises de les pèrdues de propagació. L'estimació de les pèrdues de propagació amb LIM ha sigut comparada amb campanyes de mesura en les bandes de 28~GHz i 73~GHz i amb altres models de propagació. Com a resultat, l'error d'estimació de LIM és menor que els models estocàstics actuals i és comparable amb el model de traçat de rajos. I, a més, el cost computacional de LIM comparat amb el traçat de rajos és 130 vegades menor, la qual cosa possibilita l'ús de LIM en escenaris altament complexos per a l'estimació del canal ràdio en temps real. Els motors de joc permeten caracteritzar de forma diferent la interacció dels materials amb la llum configurant el mapa de normals de les seues superfícies i les seues funcions de dispersió i reflexió. En aquesta Tesi s'ha determinat la caracterització de diversos materials que s'ajusta millor a mesures de laboratori realitzades en un escenari controlat en la banda de 28 GHz. El model de LIM emprant materials amb aquesta caracterització òptima redueix més d'un 50 % el seu error d'estimació respecte a l'aplicació de LIM amb els materials per defecte, mentre que el seu cost computacional continua sent 26 vegades menor que el model de traçat de rajos. Finalment, s'ha desenvolupat sobre un motor de joc una primera versió de plataforma per a l'emulació dels sistemes 5G que és el punt de partida per a un emulador complet de 5G. Aquesta plataforma no solament conté el model de LIM sinó que inclou diversos casos d'ús de la 5G en entorns superrealistes. La plataforma, que es basa en el concepte de "Serious Game Engineering", trenca les limitacions dels simuladors de xarxes mòbils quant a les capacitats de visualització i interacció de l'usuari amb els components de la xarxa en temps real.[EN] The fifth generation of mobile communications, 5G, promises to be a technological revolution that goes beyond multiplying the data transmission speed of its predecessors. It aims to support a large number of devices and reach latencies very close to 1 millisecond. To meet these ambitious requirements, new enabling technologies have been researched. One of these is the use of millimetre-wave bands (mmW) in which a large amount of spectrum is available. Complex channel models are required to predict radio channel characteristics and reliably evaluate 5G performance in the mmW bands. Specifically, the most accurate propagation models are those based on ray tracing, but their high computational cost makes them unfeasible for radio channel characterization in complex scenarios. On the other hand, in recent years, video game technology has developed powerful tools to model the propagation of light in super realistic scenarios. Given the spectral closeness between the visible spectrum and the mmW waves, the present Thesis has studied the application of light propagation modeling tools from game engines for radio channel modeling in mmW. This Thesis proposes a model for estimating propagation losses in mmW called "Light Intensity Model'' (LIM). Using this model, based on the lighting processes performed by the game engines, the signal transmitters are replaced by light sources and the light intensity received at a point is translated into signal strength in mmW through a simple polynomial function. One of the advantages of using the game engines is their great capacity and the ease with which the user can create super realistic scenarios that faithfully represent the geometry of scenarios where the radio channel is to be evaluated. In this way, accurate estimates of propagation losses can be obtained. The estimation of propagation losses with LIM has been compared with measurement campaigns in the 28 GHz and 73 GHz bands and with other propagation models. As a result, the LIM estimation error is smaller than the current stochastic models and is comparable with the ray tracing model. In addition, the computational cost of LIM compared to ray tracing is 130 times lower, allowing the use of LIM in highly complex scenarios for real-time radio channel estimation. The game engines allow to characterize in a different way the interaction of the materials with the light configuring the normal map of their surfaces and their scattering and reflection functions. In this Thesis it has been determined the characterization of several materials that best fits to laboratory measurements made in a controlled scenario in the 28 GHz band. The LIM model using materials with this optimal characterization reduces by more than 50% its estimation error with respect to the application of LIM with default materials, while its computational cost remains 26 times lower than the ray tracing model. Finally, a first version of a platform for the emulation of 5G systems has been developed on a game engine, which is the starting point for a complete 5G emulator. This platform not only contains the LIM model but also includes several 5G use cases in super realistic environments. The platform, which is based on the concept of "`Serious Game Engineering", breaks the limitations of mobile network simulators in terms of visualization capabilities and user interaction with network components in real time.Inca Sánchez, SA. (2019). Serious Game Engineering and Lighting Models for the Realistic Emulation of 5G Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/132695TESI

Overview of Millimeter Wave Communications for Fifth-Generation (5G) Wireless Networks-with a focus on Propagation Models

This paper provides an overview of the features of fifth generation (5G) wireless communication systems now being developed for use in the millimeter wave (mmWave) frequency bands. Early results and key concepts of 5G networks are presented, and the channel modeling efforts of many international groups for both licensed and unlicensed applications are described here. Propagation parameters and channel models for understanding mmWave propagation, such as line-of-sight (LOS) probabilities, large-scale path loss, and building penetration loss, as modeled by various standardization bodies, are compared over the 0.5-100 GHz range

Optimización de problemas de varios objetivos desde un enfoque de eficiencia energética aplicado a redes celulares heterogéneas 5G usando un marco de conmutación de celdas pequeñas

This Ph.D. dissertation addresses the Many-Objective Optimization Problem (MaOP) study to reduce the inter-cell interference and the power consumption for realistic Centralized, Collaborative, Cloud, and Clean Radio Access Networks (C-RANs). It uses the Cell Switch-Off (CSO) scheme to switch-off/on Remote Radio Units (RRUs) and the Coordinated Scheduling (CS) technique to allocate resource blocks smartly. The EF1-NSGA-III (It is a variation of the NSGA-III algorithm that uses the front 1 to find extreme points at the normalization procedure extended in this thesis) algorithm is employed to solve a proposed Many-Objective Optimization Problem (MaOP). It is composed of four objective functions, four constraints, and two decision variables. However, the above problem is redefined to have three objective functions to see the performance comparison between the NSGA-II and EF1-NSGA-III algorithms. The OpenAirInterface (OAI) platform is used to evaluate and validate the performance of an indoor coverage system because most of the user-end equipment of next-generation cellular networks will be in an indoor environment. It constitutes the fastest growing 5G open-source platform that implements 3GPP technology on general-purpose computers, fast Ethernet transport ports, and Commercial-Off-The-Shelf (COTS) software-defined radio hardware. This document is composed of five contributions. The first one is a survey about testbed, emulators, and simulators for 4G/5G cellular networks. The second one is the extension of the KanGAL's NSGA-II code to implement the EF1-NSGA-III, adaptive EF1-NSGA-III (A-EF1-NSGA-III), and efficient adaptive EF1-NSGA-III (A$^2$-EF1-NSGA-III). They support up to 10 objective functions, manage real, integer, and binary decision variables, and many constraints. The above algorithms outperform other works in terms of the Inverted Generational Distance (IGD) metric. The third contribution is the implementation of real-time emulation methodologies for C-RANs using a frequency domain representation in OAI. It improves the average computation time 10-fold compared to the time domain without using Radio Frequency hardware and avoids their uncertainties. The fourth one is the implementation of the Coordination Scheduling (CS) technique as a proof-of-concept to validate the advantages of frequency domain methodologies and to allocate resource blocks dynamically among RRUs. Finally, a many-objective optimization problem is defined and solved with evolutionary algorithms where diversity is managed based on crowded-distance and reference points to reduce the power consumption for C-RANs. The solutions obtained are considered to control the scheduling task at the Radio Cloud Center (RCC) and to switch RRUs.Este disertación aborda el estudio del problema de optimización de varios objetivos (MaOP) para reducir la interferencia entre células y el consumo de energía para redes de acceso de radio en tiempo real, colaborativas, en la nube y limpias (C-RAN). Utiliza el esquema de conmutacion de celdas (CSO) para apagar / encender unidades de radio remotas (RRU) y la técnica de programación coordinada (CS) para asignar bloques de recursos de manera inteligente. El algoritmo EF1-NSGA-III (es una variación del algoritmo NSGA-III que usa el primer frente de pareto para encontrar puntos extremos en el procedimiento de normalización extendido en esta tesis) se utiliza para resolver un problema de optimización de varios objetivos (MaOP) propuesto. Se compone de cuatro funciones objetivos, cuatro restricciones y dos variables de decisión. Sin embargo, el problema anterior se redefine para tener tres funciones objetivas para ver la comparación de rendimiento entre los algoritmos NSGA-II y EF1-NSGA-III. La plataforma OpenAirInterface (OAI) se utiliza para evaluar y validar el rendimiento de un sistema de cobertura en interiores porque la mayoría del equipos móviles de las redes celulares de próxima generación estarán en un entorno interior. Ella constituye la plataforma de código abierto 5G de más rápido crecimiento que implementa la tecnología 3GPP en computadoras de uso general, puertos de transporte Ethernet rápidos y hardware de radio definido por software comercial (COTS). Este documento se compone de cinco contribuciones. La primera es una estudio sobre banco de pruebas, emuladores y simuladores para redes celulares 4G / 5G. El segundo es la extensión del código NSGA-II de KanGAL para implementar EF1-NSGA-III, EF1-NSGA-III adaptativo (A-EF1-NSGA-III) y EF1-NSGA-III adaptativo eficiente (A $^ 2$ -EF1-NSGA-III). Admiten hasta 10 funciones objetivas, gestionan variables de decisión reales, enteras y binarias, y muchas restricciones. Los algoritmos anteriores superan a otros trabajos en términos de la métrica de distancia generacional invertida (IGD). La tercera contribución es la implementación de metodologías de emulación en tiempo real para C-RAN utilizando una representación de dominio de frecuencia en OAI. Mejora el tiempo de cálculo promedio 10 veces en comparación con el dominio del tiempo sin usar hardware de radiofrecuencia y evita sus incertidumbres. El cuarto es la implementación de la técnica de Programación de Coordinación (CS) como prueba de concepto para validar las ventajas de las metodologías de dominio de frecuencia y asignar bloques de recursos dinámicamente entre las RRU. Finalmente, un problema de optimización de muchos objetivos se define y resuelve con algoritmos evolutivos en los que la diversidad se gestiona en función de la distancia de crouding y los puntos de referencia para reducir el consumo de energía de las C-RAN. Las soluciones obtenidas controlan la tarea de programación en Radio Cloud Center (RCC) y conmutan las RRU.Proyecto personal: Redes celulares de próxima generaciónDoctorad