GPU Acceleration and Game Engines for Wireless Channel Estimation in Millimeter Waves

In this article, the intended purpose is to show an innovative technique for estimating the MIMO channel at millimeter wave bands, candidates for mobile 5G technology, by using hardware acceleration, game engines and heuristic algorithms applied to optical ray launching techniques. To verify the performance of the ray launching tool, the normalized Power Delay Profile (PDP) was simulated. The channel was analyzed using the mean square delay error (RMS), the average value of the delay (MD) and the basic propagation loss (PL). The results obtained in computational precision and time were compared with those of a traditional ray tracing tool simulation programmed in MATLAB and with the measurements made in the 57 to 66 GHz range in a specialized laboratory. The results show that the presented technique becomes efficiently profitable from a small number of simulated events (reflections, diffractions).This work was supported by the Vicerrectoría de Investigación of the Universidad del Magdalena by FONCIENCIAS 2018 announcement. This research was funded by COLCIENCIAS GRANT, grant number 528/2012

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

Human Body Scattering Effects at Millimeter Waves Frequencies for Future 5G Systems and Beyond

[ES] Se espera que las futuras comunicaciones móviles experimenten una revolución técnica que vaya más allá de las velocidades de datos de Gbps y reduzca las latencias de las velocidades de datos a niveles muy cercanos al milisegundo. Se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras para lograr estas exigentes especificaciones. Y la utilización de las bandas de ondas milimétricas, donde hay mucho espectro disponible, es una de ellas. Debido a las numerosas dificultades técnicas asociadas a la utilización de esta banda de frecuencias, se necesitan complicados modelos de canal para anticipar las características del canal de radio y evaluar con precisión el rendimiento de los sistemas celulares en milimétricas. En concreto, los modelos de propagación más precisos son los basados en técnicas de trazado de rayos deterministas. Pero estas técnicas tienen el estigma de ser computacionalmente exigentes, y esto dificulta su uso para caracterizar el canal de radio en escenarios interiores complejos y dinámicos. La complejidad de la caracterización de estos escenarios depende en gran medida de la interacción del cuerpo humano con el entorno radioeléctrico, que en las ondas milimétricas suele ser destructiva y muy impredecible. Por otro lado, en los últimos años, la industria de los videojuegos ha desarrollado potentes herramientas para entornos hiperrealistas, donde la mayor parte de los avances en esta emulación de la realidad tienen que ver con el manejo de la luz. Así, los motores gráficos de estas plataformas se han vuelto cada vez más eficientes para manejar grandes volúmenes de información, por lo que son ideales para emular el comportamiento de la propagación de las ondas de radio, así como para reconstruir un escenario interior complejo. Por ello, en esta Tesis se ha aprovechado la capacidad computacional de este tipo de herramientas para evaluar el canal radioeléctrico milimétricas de la forma más eficiente posible. Esta Tesis ofrece unas pautas para optimizar la propagación de la señal en milimétricas en un entorno interior dinámico y complejo, para lo cual se proponen tres objetivos principales. El primer objetivo es evaluar los efectos de dispersión del cuerpo humano cuando interactúa con el canal de propagación. Una vez evaluado, se propuso un modelo matemático y geométrico simplificado para calcular este efecto de forma fiable y rápida. Otro objetivo fue el diseño de un reflector pasivo modular en milimétricas, que optimiza la cobertura en entornos de interior, evitando la interferencia del ser humano en la propagación. Y, por último, se diseñó un sistema de apuntamiento del haz predictivo en tiempo real, para que opere con el sistema de radiación en milimétricas, cuyo objetivo es evitar las pérdidas de propagación causadas por el cuerpo humano en entornos interiores dinámicos y complejos.[CA] S'espera que les futures comunicacions mòbils experimenten una revolució tècnica que vaja més enllà de les velocitats de dades de Gbps i reduïsca les latències de les velocitats de dades a nivells molt pròxims al milisegundo. S'han investigat noves tecnologies habilitadoras per a aconseguir estes exigents especificacions. I la utilització de les bandes d'ones millimètriques, on hi ha molt espectre disponible, és una d'elles. A causa de les nombroses dificultats tècniques associades a la utilització d'esta banda de freqüències, es necessiten complicats models de canal per a anticipar les característiques del canal de ràdio i avaluar amb precisió el rendiment dels sistemes cellulars en millimètriques. En concret, els models de propagació més precisos són els basats en tècniques de traçat de rajos deterministes. Però estes tècniques tenen l'estigma de ser computacionalment exigents, i açò dificulta el seu ús per a caracteritzar el canal de ràdio en escenaris interiors complexos i dinàmics. La complexitat de la caracterització d'estos escenaris depén en gran manera de la interacció del cos humà amb l'entorn radioelèctric, que en les ones millimètriques sol ser destructiva i molt impredicible. D'altra banda, en els últims anys, la indústria dels videojocs ha desenrotllat potents ferramentes per a entorns hiperrealistes, on la major part dels avanços en esta emulació de la realitat tenen a veure amb el maneig de la llum. Així, els motors gràfics d'estes plataformes s'han tornat cada vegada més eficients per a manejar grans volums d'informació, per la qual cosa són ideals per a emular el comportament de la propagació de les ones de ràdio, així com per a reconstruir un escenari interior complex. Per això, en esta Tesi s'ha aprofitat la capacitat computacional d'este tipus de ferramentes per a avaluar el canal radioelèctric millimètriques de la manera més eficient possible. Esta Tesi oferix unes pautes per a optimitzar la propagació del senyal en millimètriques en un entorn interior dinàmic i complex, per a la qual cosa es proposen tres objectius principals. El primer objectiu és avaluar els efectes de dispersió del cos humà quan interactua amb el canal de propagació. Una vegada avaluat, es va proposar un model matemàtic i geomètric simplificat per a calcular este efecte de forma fiable i ràpida. Un altre objectiu va ser el disseny d'un reflector passiu modular en millimètriques, que optimitza la cobertura en entorns d'interior, evitant la interferència del ser humà en la propagació, per a així evitar pèrdues de propagació addicionals. I, finalment, es va dissenyar un sistema d'apuntament del feix predictiu en temps real, perquè opere amb el sistema de radiació en millimètriques, l'objectiu del qual és evitar les pèrdues de propagació causades pel cos humà en entorns interiors dinàmics i complexos.[EN] Future mobile communications are expected to experience a technical revolution that goes beyond Gbps data rates and reduces data rate latencies to levels very close to a millisecond. New enabling technologies have been researched to achieve these demanding specifications. The utilization of mmWave bands, where a lot of spectrum is available, is one of them. Due to the numerous technical difficulties associated with using this frequency band, complicated channel models are necessary to anticipate the radio channel characteristics and to accurately evaluate the performance of cellular systems in mmWave. In particular, the most accurate propagation models are those based on deterministic ray tracing techniques. But these techniques have the stigma of being computationally intensive, and this makes it difficult to use them to characterize the radio channel in complex and dynamic indoor scenarios. The complexity of characterizing these scenarios depends largely on the interaction of the human body with the radio environment, which at mmWaves is often destructive and highly unpredictable. On the other hand, in recent years, the video game industry has developed powerful tools for hyper-realistic environments, where most of the progress in this reality emulation has to do with the handling of light. Therefore, the graphic engines of these platforms have become more and more efficient to handle large volumes of information, becoming ideal to emulate the radio wave propagation behavior, as well as to reconstruct a complex interior scenario. Therefore, in this Thesis one has taken advantage of the computational capacity of this type of tools to evaluate the mmWave radio channel in the most efficient way possible. This Thesis offers some guidelines to optimize the signal propagation in mmWaves in a dynamic and complex indoor environment, for which three main objectives are proposed. The first objective has been to evaluate the scattering effects of the human body when it interacts with the propagation channel. Once evaluated, a simplified mathematical and geometrical model has been proposed to calculate this effect in a reliable and fast way. Another objective has been the design of a modular passive reflector in mmWaves, which optimizes the coverage in indoor environments, avoiding human interference in the propagation, in order to avoid its harmful scattering effects. And finally, a real-time predictive beam steering system has been designed for the mmWaves radiation system, in order to avoid propagation losses caused by the human body in dynamic and complex indoor environments.Romero Peña, JS. (2022). Human Body Scattering Effects at Millimeter Waves Frequencies for Future 5G Systems and Beyond [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19132

Evaluation of mmWave 5G Performance by Advanced Ray Tracing Techniques

Technological progress leads to the emergence of new concepts, which can change people’s everyday lives and accelerate the transformation of many industries. Among the more recent of these revolutionary concepts are big data analysis, artificial intelligence, augmented/virtual reality, quantum computing, and autonomous vehicles. However, this list would be incomplete without referring to fifth-generation (5G) technology, which is driven by several trends. First, the exponential growth of the worldwide monthly smartphone traffic up to 50 petabytes during the next three years will require the development of mobile networks supporting high datasharing capabilities, excellent spectral efficiency, and gigabits per second of throughput. Another trend is Industry 4.0/5.0 (also called the smart factory), which refers to advanced levels of automation requiring millions of distributed sensors/devices connected into a scalable and smart network. Finally, the automation of critical industrial processes, as well as communication between autonomous vehicles, will require 99.999% reliability and under 1 ms latency as they also become the drivers for the emergence of 5G. Besides traditional sub-6 GHz microwave spectrum, the 5G communication encompasses the novel millimeter-wave bands to mitigate spectrum scarcity and provide large bandwidth of up to several GHz. However, there are challenges to be overcome with the millimeter-wave band. The band suffers from higher pathloss, more atmospheric attenuation, and higher diffraction losses than microwave signals. Because the millimeter-wave band has such a small wavelength (< 1 cm), it is now feasible to implement compact antenna arrays. This enables the use of beamforming and multi-input and multi-output techniques. In this thesis, advanced ray tracing methodology is developed and utilized to simulate the propagation mechanisms and their effect on the system-level metrics. The main novelty of this work is in the introduction of typical millimeter-wave 5G technologies into channel modelling and propagation specifics into the system-level simulation, as well as the adaptation of the ray tracing methods to support extensive simulations with multiple antennas

Beam Tracking Strategies for 5G New Radio Networks Operating in the Millimetre Wave Bands

[ES] La llegada de la próxima generación del estándar de comunicaciones móviles, la llamada quinta generación (5G), es prácticamente una realidad. Las primeras redes comerciales han comenzado a ser desplegadas, centrándose en ofrecer altas velocidades de transferencia de datos. Sin embargo, el estándar 5G va mucho más allá y prevé dar soporte a nuevos servicios que pretenden revolucionar la sociedad. Estos nuevos servicios imponen un nivel alto de requisitos en no solo en cuanto a velocidad del tráfico de datos, sino en cuanto a latencia o número de dispositivos conectados simultáneamente. La amplia variedad de requisitos no puede ser soportada por las redes de cuarta generación (4G), por lo que se hizo necesario plantear un nuevo paradigma para las redes inalámbricas. Con la promesa de grandes cantidades de ancho de banda sin utilizar, el estándar 5G contempla utilizar frecuencias en la comúnmente conocida como banda de milimétricas (mmWave). Esta banda presenta grandes pérdidas de propagación, que se acentúan si existen bloqueos de señal. Actividades regulatorias del uso de las bandas de milimétricas atrajo el interés tanto de la industria como de la academia en plantear soluciones para dar servicio en estas bandas. En los últimos años se han presentado infinidad de trabajos basados en sistemas con múltiples antenas o MIMO, para conformar las señales transmitidas o recibidas en haces apuntando en determinadas direcciones. La ganancia que aportan los sistemas MIMO pueden compensar las altas pérdidas de propagación, asegurando la viabilidad de las comunicaciones mmWave. Se ha detectado una evidente falta de estudios sobre la viabilidad de sistemas MIMO en entornos móviles y dinámicos con bloqueos que hagan necesario que el sistema se reconfigure. Esta Tesis pretende cubrir este espacio desde un enfoque práctico y propone mecanismos de gestión de los haces para hacerles un seguimiento utilizando los recursos y mecanismos del nuevo estándar 5G. Las soluciones aportadas se basan en el uso eficiente de los reportes de medidas de las señales de referencia estandarizadas en enlace descendente. En primer lugar, esta Tesis recoge un análisis minucioso del estado del arte, donde se corrobora la necesidad de aportar soluciones de seguimiento de haces en sistemas de comunicaciones en la banda de milimétricas. Además, se estudian los diferentes mecanismos definidos en el estándar 5G y que posibilitan el seguimiento. Cabe destacar que el estándar no define un mecanismo único a seguir, permitiendo presentar propuestas. Una vez conocidas las tecnologías, se centra el estudio en el impacto del seguimiento sobre las prestaciones a nivel de red y de enlace. Dicho estudio se realiza sobre un sistema punto a punto, donde el terminal móvil se desplaza por un entorno urbano. En base a simulaciones de red, se cuantifica el índice de seguimiento de haz y de cómo dicho seguimiento afecta a la relación señal a ruido más interferencia (SINR) y la tasa de transmisión del usuario. Las soluciones de seguimiento propuestas en esta Tesis se pueden clasificar en dos categorías. En una primera categoría, se realiza el seguimiento en base a reportes de medidas de las señales de referencia. Independientemente de la velocidad, se alcanza un seguimiento del 91% con poca penalización en la tasa de transmisión si se monitorizan los haces de interés con una periodicidad menor de 20 ms. En la segunda categoría caben mecanismos de seguimiento que hacen uso de fuentes externas de información. Dentro de esta categoría, se propone un fingerprinting que relacione haces con la localización reportada y un modelo de machine learning (ML) que prediga los haces a utilizar. El fingerprinting proporciona los mismos niveles de rendimiento. Sin embargo, esta solución es muy sensible a errores y requiere considerar todos los casos posibles, lo que la hace tecnológicamente inviable. En cambio, el modelo de ML, que hace p[CA] L'arribada de la següent generació de l'estàndard de comunicacions mòbils, l'anomenada cinquena generació (5G), es pràcticament una realitat. Les primeres xarxes comercials han començat a desplegar-se i s'han centrat en oferir altes velocitats de transferència de dades. No obstant, l'estàndard 5G va molt mes allà y preveu donar suport a nous serveis que pretenen revolucionar la societat. Estos nous serveis imposen un alt nivell de requisits no sols en quant a velocitat de tràfic de dades, si no també en quant a latència o número de connexions simultànies. L'ampla varietat de requisits no es suportada per les xarxes de quarta generació (4G) actuals, per el qual es va fer necessari un nou paradigma de xarxes sense fil. Amb la promesa de amplies quantitats d'ample de banda, l'estàndard 5G contempla utilitzar freqüències a la banda de mil·limètriques. Esta banda presenta l'inconvenient d'experimentar grans pèrdues de propagació, que s'accentuen en cas de bloqueigs. L'apertura de les bandes de mil·limètriques va atraure l'interès tant de l'industria com de l'acadèmia en plantejar solucions per a donar servei en estes bandes. En els últims anys s'han presentat infinitat de treballs basats en sistemes amb múltiples antenes o MIMO, per a conformar els senyals transmesos o rebuts en feixos apuntant en determinades direccions d'interès. El guany de feix es pot utilitzar per a compensar les pèrdues de propagació, assegurant la viabilitat de les comunicacions en la banda de mil·limètriques. No obstant això, s'ha detectat una preocupant manca d'estudis sobre la viabilitat d'estos sistemes en entorns mòbils i dinàmics, amb obstacles que bloquejen els feixos i facen necessari que el sistema es reconfigure. El present treball de Tesi pretén cobrir este espai buit i des d'un punt de vista pràctic, es proposen mecanismes de gestió dels feixos per a ser el seguiment utilitzant els recursos i mecanismes dels que disposa l'estàndard 5G. D'esta manera, les solucions aportades es basen en la utilització eficient dels reports de mesures dels senyals de referència del enllaç descendent. En primer lloc, esta Tesi recull una anàlisi minuciosa de l'estat de l'art on es corrobora la necessitat de aportar solucions de seguiment de feixos per a comunicacions en la banda de freqüències mil·limètriques. A més a més, s'estudien els diferents mecanismes definits a l'estàndard 5G i que possibiliten el seguiment. Cap destacar que l'estàndard no defineix un mecanisme únic, si no que deixa la porta oberta a presentar propostes. Una vegada conegudes les tecnologies, l'estudi es centra en l'impacte del seguiment sobre les prestacions a nivell de xarxa i d'enllaç. Este estudi es realitza sobre un sistema MIMO punt a punt, en una única estació base i un terminal mòbil desplaçant-se en un entorn urbà. En base a simulacions d'extrem a extrem, es quantifica l'índex de seguiment de feix i com l'anomenat seguiment afecta a la relació senyal a soroll més interferència (SINR) i a la taxa instantània de transmissió de l'usuari. Les solucions de seguiment de feixos propostes a la Tesi es poden classificar en dos categories. A la primera categoria, el seguiment de feixos es realitza en base als reports de mesures dels senyals de referència. Independentment de la velocitat, s'arriba a una taxa de seguiment del 91% amb poca penalització de taxa de transmissió si els feixos d'interès es mesuren amb una periodicitat menor a 20 ms. A la segona categoria pertanyen els algoritmes que utilitzen fonts d'informació externes. Dins d'aquesta categoria es proposa un fingerprinting que relaciona un parell de feixos amb la ubicació de l'usuari, i a banda un model d'intel·ligència artificial (IA) que preveu el feix a utilitzar. El fingerprinting ofereix el mateix rendiment. Però, esta solució es molt sensible a errors i requereix considerar tots els casos possibles, fent-la tecnològicament inviable. En canvi, el[EN] The arrival of the next generation of mobile communication standards, the so-called Fifth Generation (5G), is already a reality. The first commercial networks have begun to be deployed, and they focus on providing higher data rates. However, the 5G standard goes much further from that and aims at providing support to new services which will revolutionise the society. These new services impose a high level of requirements not only in terms of the data traffic speed, but also in terms of very low latency or incredibly large number of simultaneous connections. This wide variety of requirements cannot be technologically supported by the current Fourth Generation (4G) networks, so it became necessary to move forward with a new paradigm for wireless networks. With the promise of large amounts of bandwidth, in the order of GHz, the 5G standard contemplates the use of frequencies in the commonly known Millimetre Wave (mmWave) band. The mmWave band experiences large propagation losses, which are accentuated in blockage events. Regulatory activities worldwide in the mmWave bands attracted the interest of both the industry and the academia. In the last few years, a tremendous number of contributions on mmWave propagation studies and networks have appeared, most of them based on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) solutions. MIMO architectures allow to beamform, which focuses the radiated energy on certain directions of interest called beams. The additional beam gain compensates the high propagation losses, ensuring the viability of the communications in the mmWave band. There is an evident lack of viability studies of mmWave MIMO systems in mobile and highly-dynamic environments, where obstacles may block beams and forcing frequent re-configurations. This Thesis work aims to fill this gap from a practical approach. This Thesis proposes beam management mechanisms utilising the mechanisms and resources offered by the Third Generation Partnership Project (3GPP) 5G radio access standard: 5G New Radio (NR). The practical solutions are based on the efficient use of measurement reports of standardised downlink Reference Signals (RS). In first place, this Thesis provides a thorough state-of-the-art analysis and corroborates the need of adopting beam tracking solutions for mmWave networks. Then, a complete overview of the 5G standard mechanisms that enable beam tracking is given. The NR standard does not define a standardised mechanism for beam tracking, leaving the door open to proposals to carry out such monitoring. Once the technologies have been identified, the Thesis continues with assessing the impact of the beam tracking strategies on the network and link-level performance. The study is focused on individual point-to-point mmWave links in a realistic urban environment. Based on end-to-end network simulations, the Thesis is interested in assessing the beam tracking success ratio and how beam misalignment affects the perceived Signal to Noise plus Interference Ratio (SINR) and user throughput at pedestrian and vehicular speeds. The beam tracking solutions proposed in this Thesis fall into two categories. The first category monitors beams based on measuring and reporting beamformed RS. Regardless of the speed, this beam tracking category provides up to 91 % tracking performance, with little throughput reduction if the beams of interest are measured with a periodicity below 20 ms. Beam tracking in the second category relies on external information sources. Within this category, this Thesis proposes a fingerprinting database relating beams to the user position and a machine learning (ML) model. Fingerprinting beam tracking is technologically viable and provides similar performance levels. However, this solution is very sensitive to errors and requires considering all possible situations. The ML beam tracking, which makes predictions with a 16 % of estimation error for the reference data set.I want to thank the Spanish Ministry of Education and Professional Formation for funding this Thesis work with an official pre-doctoral contract grant.Herranz Claveras, C. (2019). Beam Tracking Strategies for 5G New Radio Networks Operating in the Millimetre Wave Bands [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130845TESI

Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks