Wireless Channel Model and LDM-Based Transmission with Unequal Error Protection for Inside Train Communications

Although the deployment of wireless systems is widespread, there are still sectors where they are not used due to their lack of reliability in comparison to wired systems. Sectors like industry or vehicle communications consider their environment hostile because the wireless signals suffer a lot of interferences. One of such environments is the railway sector, where wiring removal will allow more flexibility for both control and monitoring systems. This thesis analyzes wireless communications inside train cars, aiming at modelling their behavior and at proposing techniques to increase the reliability of the critical signals among train systems, wich can coexist with other lower priority systems. After proposing a novel model of an inside train wireless channel, a transmission system based on Layered Division Multiplexing (LDM) has been proposed which theoretically promises higher capacities than traditional TDM or FDM. This capacity gain is used to provide higher reliability to critical data using Unequal Error Protection (UEP) while maintaining the same bit rate as equivalent TDM or FDM based systems. In the final part of the thesis, simulation results of the proposed LDM system are provided, combined with Alamouti space time coding and different coding rates. Multiantenna extensions of the proposed LDM schemes are also simulated, providing BER and throughput results. These results will be used to shed light about how to reduce BER of an inside train wireless communication system.Aunque el despliegue de los sistemas inalámbricos está muy extendido, aun hay sectores donde no se utiliza por la poca fiabilidad que proporcionan comparado con los sistemas cableados. Sectores como la industria o las comunicaciones vehiculares consideran el entorno donde trabajan como entorno hostil, debido a que las señales inalámbricas sufren muchas interferencias. Uno de estos entornos es el de las comunicaciones en ferrocarril donde la eliminación de cables permitiría mayor flexibilidad entre los sistemas de control y monitorización. En esta tesis se analiza el canal de comunicación inalámbrico dentro de los trenes, con el objetivo de modelar su comportamiento y proponer técnicas que permitan aumentar la fiabilidad de la información de tipo crítico transmitida entre los sistemas del tren, repercutiendo lo menos posible en otros sistemas de menor prioridad. Tras proponer el modelo de canal inalámbrico dentro del tren, se ha propuesto un sistema de transmisión basado en Layered Division Multiplexing (LDM) que analizándolo teóricamente promete mayores capacidades que los tradicionales TDM o FDM. Esta capacidad se utilizará para obtener mayor redundancia de los datos críticos usando Unequal Error Protection (UEP) manteniendo la misma tasa de transferencia bits que los sistemas basados en TDM/FDM. En la parte final de la tesis, se obtienen resultados de las simulaciones realizadas con el sistema LDM propuesto, combinada con codificación espacio temporal como Alamouti y diferentes ratios de codificación. También se han simulado configuraciones multiantena obteniendo resultados de BER y throughput. Estos resultados servirán para arrojar luz sobre cómo reducir el BER en las comunicaciones inalámbricas dentro de los trenes.Haririk gabeko sistemak oso hedatuak dauden arren oraindik erabiltzen ez dituen sektoreak badaude ematen duten fidagarritasuna txikia delako kableatutako sistemekin alderatuz. Industria bezalako sektoreek edo ibilgailuetako komunikazioek lan egiten duten ingurua oso zaratatsua izaten da eta seinaleek interferentzia asko jasaten dituzte. Tesi honetan tren barruko haririk gabeko komunikazio kanala aztertzen da, bere portaera aztertu eta modelatzeko asmotan. Jakintza honekin zein teknika izan daitekeen erabilgarriak aztertuko da datuen fidagarritasuna handitzeko helburuarekin, lehentasun gutxiago duten sistemetan eragin txikiena izanik. Modeloa atera ondoren proposatu den transmisio sistema Layered Division Multiplexing (LDM) izan da, non azterketa teorikoek TDM edo FDM sistemek baino kapazitate gehiago dutela frogatzen dute. Kapazitate hau sistemaren datu kritikoei erredundantzia gehiago emateko erabiliko da Unequal Error Protection (UEP) erabiliz, TDM/FDM sistemetan bidaltzen den bit tasa kopurua mantenduz. Tesiaren azken partean, proposatutako LDM sistemaren simulazio emaitzak ematen dira, Alamouti espazio denbora kodifikazioarekin konbinatuak eta kodigo ratio desberdinekin. Antena anitzezko konfigurazioak ere simulatu dira BER eta throughput emaitzak lortuz. Emaitza hauek haririk gabeko tren barruko komunikazioetan BER-a nola gutxitu daitekeen jakiten lagunduko digute

Solutions for New Terrestrial Broadcasting Systems Offering Simultaneously Stationary and Mobile Services

221 p.[EN]Since the first broadcasted TV signal was transmitted in the early decades of the past century, the television broadcasting industry has experienced a series of dramatic changes. Most recently, following the evolution from analogue to digital systems, the digital dividend has become one of the main concerns of the broadcasting industry. In fact, there are many international spectrum authorities reclaiming part of the broadcasting spectrum to satisfy the growing demand of other services, such as broadband wireless services, arguing that the TV services are not very spectrum-efficient. Apart from that, it must be taken into account that, even if up to now the mobile broadcasting has not been considered a major requirement, this will probably change in the near future. In fact, it is expected that the global mobile data traffic will increase 11-fold between 2014 and 2018, and what is more, over two thirds of the data traffic will be video stream by the end of that period. Therefore, the capability to receive HD services anywhere with a mobile device is going to be a mandatory requirement for any new generation broadcasting system. The main objective of this work is to present several technical solutions that answer to these challenges. In particular, the main questions to be solved are the spectrum efficiency issue and the increasing user expectations of receiving high quality mobile services. In other words, the main objective is to provide technical solutions for an efficient and flexible usage of the terrestrial broadcasting spectrum for both stationary and mobile services. The first contributions of this scientific work are closely related to the study of the mobile broadcast reception. Firstly, a comprehensive mathematical analysis of the OFDM signal behaviour over time-varying channels is presented. In order to maximize the channel capacity in mobile environments, channel estimation and equalization are studied in depth. First, the most implemented equalization solutions in time-varying scenarios are analyzed, and then, based on these existing techniques, a new equalization algorithm is proposed for enhancing the receivers’ performance. An alternative solution for improving the efficiency under mobile channel conditions is treating the Inter Carrier Interference as another noise source. Specifically, after analyzing the ICI impact and the existing solutions for reducing the ICI penalty, a new approach based on the robustness of FEC codes is presented. This new approach employs one dimensional algorithms at the receiver and entrusts the ICI removing task to the robust forward error correction codes. Finally, another major contribution of this work is the presentation of the Layer Division Multiplexing (LDM) as a spectrum-efficient and flexible solution for offering stationary and mobile services simultaneously. The comprehensive theoretical study developed here verifies the improved spectrum efficiency, whereas the included practical validation confirms the feasibility of the system and presents it as a very promising multiplexing technique, which will surely be a strong candidate for the next generation broadcasting services.[ES]Desde el comienzo de la transmisión de las primeras señales de televisión a principios del siglo pasado, la radiodifusión digital ha evolucionado gracias a una serie de cambios relevantes. Recientemente, como consecuencia directa de la digitalización del servicio, el dividendo digital se ha convertido en uno de los caballos de batalla de la industria de la radiodifusión. De hecho, no son pocos los consorcios internacionales que abogan por asignar parte del espectro de radiodifusión a otros servicios como, por ejemplo, la telefonía móvil, argumentado la poca eficiencia espectral de la tecnología de radiodifusión actual. Asimismo, se debe tener en cuenta que a pesar de que los servicios móviles no se han considerado fundamentales en el pasado, esta tendencia probablemente variará en el futuro cercano. De hecho, se espera que el tráfico derivado de servicios móviles se multiplique por once entre los años 2014 y 2018; y lo que es más importante, se pronostica que dos tercios del tráfico móvil sea video streaming para finales de ese periodo. Por lo tanto, la posibilidad de ofrecer servicios de alta definición en dispositivos móviles es un requisito fundamental para los sistemas de radiodifusión de nueva generación. El principal objetivo de este trabajo es presentar soluciones técnicas que den respuesta a los retos planteados anteriormente. En particular, las principales cuestiones a resolver son la ineficiencia espectral y el incremento de usuarios que demandan mayor calidad en los contenidos para dispositivos móviles. En pocas palabras, el principal objetivo de este trabajo se basa en ofrecer una solución más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. La primera contribución relevante de este trabajo está relacionada con la recepción de la señal de televisión en movimiento. En primer lugar, se presenta un completo análisis matemático del comportamiento de la señal OFDM en canales variantes con el tiempo. A continuación, con la intención de maximizar la capacidad del canal, se estudian en profundidad los algoritmos de estimación y ecualización. Posteriormente, se analizan los algoritmos de ecualización más implementados, y por último, basándose en estas técnicas, se propone un nuevo algoritmo de ecualización para aumentar el rendimiento de los receptores en tales condiciones. Del mismo modo, se plantea un nuevo enfoque para mejorar la eficiencia de los servicios móviles basado en tratar la interferencia entre portadoras como una fuente de ruido. Concretamente, tras analizar el impacto del ICI en los receptores actuales, se sugiere delegar el trabajo de corrección de dichas distorsiones en códigos FEC muy robustos. Finalmente, la última contribución importante de este trabajo es la presentación de la tecnología LDM como una manera más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. El análisis teórico presentado confirma el incremento en la eficiencia espectral, mientras que el estudio práctico valida la posible implementación del sistema y presenta la tecnología LDM c

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