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

Mobile 5G millimeter-wave multi-antenna systems

In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of Universitat Politècnica de Catalunya's products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink.Tesi en modalitat de compendi de publicacionsMassive antenna architectures and millimeter-wave bands appear on the horizon as the enabling technologies of future broadband wireless links, promising unprecedented spectral efficiency and data rates. In the recently launched fifth generation of mobile communications, millimetric bands are already introduced but their widespread deployment still presents several feasibility issues. In particular, high-mobility environments represent the most challenging scenario when dealing with directive patterns, which are essential for the adequate reception of signals at those bands. Vehicular communications are expected to exploit the full potential of future generations due to the massive number of connected users and stringent requirements in terms of reliability, latency, and throughput while moving at high speeds. This thesis proposes two solutions to completely take advantage of multi-antenna systems in those cases: beamwidth adaptation of cellular stations when tracking vehicular users based on positioning and Doppler information and a tailored radiation diagram from a panel-based system of antennas mounted on the vehicle. Apart from cellular base stations and vehicles, a third entity that cannot be forgotten in future mobile communications are pedestrians. Past generations were developed around the figure of human users and, now, they must still be able to seamlessly connect with any other user of the network and exploit the new capabilities promised by 5G. The use of millimeter-waves is already been considered by handset manufacturers but the impact of the user (and the interaction with the phone) is drastically changed. The last part of this thesis is devoted to the study of human user dynamics and how they influence the achievable coverage with different distributed antenna systems on the phone.Les arquitectures massives d'antenes i les bandes mil·limètriques apareixen a l'horitzó com les tecnologies que impulsaran els futurs enllaços sense fils amb gran ample de banda i prometen una eficiència espectral i velocitat de transmissió sense precedents. A la recent cinquena generació de comunicacions mòbils, les bandes mil·limètriques ja en són una part constitutiva però el seu desplegament encara presenta certes dificultats. En concret, els entorns d'alta mobilitat representen el major repte quan es fan servir diagrames de radiació directius, els quals són essencials per una correcta recepció del senyal en aquestes bandes. S'espera que les comunicacions vehiculars delimitin les capacitats de les xarxes en futures generacions degut al gran nombre d'usuaris simultanis i els requeriments estrictes en termes de fiabilitat, retard i flux de dades mentre es mouen a grans velocitats. Aquesta tesi proposa dues solucions per tal d'explotar al màxim els sistemes de múltiples antenes en tals casos: un ample de feix adaptatiu de les estacions bases quan estiguin fent el seguiment d'un vehicle usuari basat en informació de la posició i el Doppler i el disseny d'un diagrama de radiació adequat al costat del vehicle basat en una estructura de múltiples panells muntats a l'estructura del mateix. A més de les estacions base i els vehicles, un tercer element que no pot ser obviat en aquests escenaris són els vianants. Les generacions anteriors van ser desenvolupades al voltant de la figura d'usuaris humans i ara han de seguir tenint la capacitat de connexió ininterrumpuda amb la resta d'usuaris i explotar les capacitats de 5G. L'ús de frequències mil·limètriques també es té en compte en la fabricació de telèfons mòbils però l'impacte de l'usuari és completament diferent. La última part de la tesis tracta l'estudi de les dinàmiques de l'usuari humà i com influeixen en la cobertura amb diferent sistemes distribuïts d'antenes.Postprint (published version

Effects of 3D Deployments on Interference and SINR in 5G New Radio Systems

Lately, the extremely high frequency (EHF) band has become one of the factors enabling fifth-generation (5G) mobile cellular technologies. By offering large bandwidth, New Radio (NR) systems operating in the lower part of EHF band, called millimeter waves (mmWave), may satisfy the extreme requirements of future 5G networks in terms of both data transfer rate and latency at the air interface. The use of highly directional antennas in prospective mmWave-based NR communications systems raises an important question: are conventional two-dimensional (2D) cellular network modeling techniques suitable for 5G NR systems? To address this question, we introduced a novel, three-dimensional framework for evaluating the performance of emerging mmWave band wireless networks. The proposed framework explicitly takes into account the blockage effects of propagating mmWave radiation, the vertical and planar directivities at transceiver antennas, and the randomness of user equipment (UE), base station (BS), and blocker heights. The model allows for different levels of accuracy, encompassing a number of models with different levels of computational complexity as special cases. Although the main metric of interest in this thesis is the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR), the model can be extended to obtain the Shannon rate of the channel under investigation. The proposed model was numerically evaluated in different deployment cases and communication scenarios with a wide range of system parameters. We found that randomness of UE and BS heights and vertical directionality of the mmWave antennas are essential for accurate evaluation of system performance. We also showed that the results of traditional 2D models are too optimistic and greatly overestimate the actual SINR. In contrast, fixed-height models that ignore the impact of height on the probability of exposure to interference are too pessimistic. Furthermore, we evaluated the models that provide the best trade-off between computational complexity and accuracy in specific scenarios and provided recommendations regarding their use for practical assessment of mmWave-based NR systems

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

Facilitating Internet of Things on the Edge

The evolution of electronics and wireless technologies has entered a new era, the Internet of Things (IoT). Presently, IoT technologies influence the global market, bringing benefits in many areas, including healthcare, manufacturing, transportation, and entertainment. Modern IoT devices serve as a thin client with data processing performed in a remote computing node, such as a cloud server or a mobile edge compute unit. These computing units own significant resources that allow prompt data processing. The user experience for such an approach relies drastically on the availability and quality of the internet connection. In this case, if the internet connection is unavailable, the resulting operations of IoT applications can be completely disrupted. It is worth noting that emerging IoT applications are even more throughput demanding and latency-sensitive which makes communication networks a practical bottleneck for the service provisioning. This thesis aims to eliminate the limitations of wireless access, via the improvement of connectivity and throughput between the devices on the edge, as well as their network identification, which is fundamentally important for IoT service management. The introduction begins with a discussion on the emerging IoT applications and their demands. Subsequent chapters introduce scenarios of interest, describe the proposed solutions and provide selected performance evaluation results. Specifically, we start with research on the use of degraded memory chips for network identification of IoT devices as an alternative to conventional methods, such as IMEI; these methods are not vulnerable to tampering and cloning. Further, we introduce our contributions for improving connectivity and throughput among IoT devices on the edge in a case where the mobile network infrastructure is limited or totally unavailable. Finally, we conclude the introduction with a summary of the results achieved