Assessment and Real Time Implementation of Wireless Communications Systems and Applications in Transportation Systems

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e das Comunicacións en Redes Móbiles. 5029V01[Resumo] Os sistemas de comunicación sen fíos de cuarta e quinta xeración (4G e 5G) utilizan unha capa física (PHY) baseada en modulacións multiportadora para a transmisión de datos cun gran ancho de banda. Este tipo de modulacións proporcionan unha alta eficiencia espectral á vez que permiten corrixir de forma sinxela os efectos da canle radio. Estes sistemas utilizan OFDMA como mecanismo para a repartición dos recursos radio dispoñibles entre os diferentes usuarios. Este repartimento realízase asignando un subconxunto de subportadoras a cada usuario nun instante de tempo determinado. Isto aporta unha gran flexibilidade ó sistema que lle permite adaptarse tanto ós requisitos de calidade de servizo dos usuarios como ó estado da canle radio. A capa de acceso ó medio (MAC) destes sistemas encárgase de configurar os diversos parámetros proporcionados pola capa física OFDMA, ademais de xestionar os diversos fluxos de información de cada usuario, transformando os paquetes de capas superiores en paquetes da capa física. Neste traballo estúdase o deseño e implementación das capas MAC e PHY de sistemas de comunicación 4G ademais da súa aplicabilidade en sistemas de transporte ferroviarios. Por unha parte, abórdase o deseño e implementación en tempo real do estándar WiMAX. Estúdanse os mecanismos necesarios para establecer comunicacións bidireccionais entre unha estación base e múltiples dispositivos móbiles. Ademais, estúdase como realizar esta implementación nunha arquitectura hardware baseada en DSPs e FPGAs, na que se implementan as capas MAC e PHY. Dado que esta arquitectura ten uns recursos computacionais limitados, tamén se estudan as necesidades de cada módulo do sistema para poder garantir o funcionamento en tempo real do sistema completo. Por outra parte, tamén se estuda a aplicabilidade dos sistemas 4G a sistemas de transporte públicos. Os sistemas de comunicacións e sinalización son unha parte vital para os sistemas de transporte ferroviario e metro. As comunicacións sen fíos utilizadas por estes sistemas deben ser robustas e proporcionar unha alta fiabilidade para permitir a supervisión, control e seguridade do tráfico ferroviario. Para levar a cabo esta avaliación de viabilidade realízanse simulacións de redes de comunicacións LTE en contornos de transporte ferroviarios, comprobando o cumprimento dos requisitos de fiabilidade e seguridade. Realízanse diferentes simulacións do sistema de comunicacións para poder ser avaliadas e seleccionar a configuración e arquitectura do sistema máis axeitada en función do escenario considerado. Tamén se efectúan simulacións de redes baseadas en Wi-Fi, dado que é a solución máis utilizada nos metros, para confrontar os resultados cos obtidos para LTE. Para que os resultados das simulacións sexan realistas débense empregar modelos de propagación radio axeitados. Nas simulacións utilízanse tanto modelos deterministas como modelos baseados nos resultados de campañas de medida realizadas nestes escenarios. Nas simulacións empréganse os diferentes fluxos de información destes escenarios para comprobar que se cumpren os requisitos de calidade de servicio (QoS). Por exemplo, os fluxos críticos para o control ferroviario, como European Train Control System (ETCS) ou Communication-Based Train Control (CBTC), necesitan unha alta fiabilidade e un retardo mínimo nas comunicacións para garantir o correcto funcionamento do sistema.[Resumen] Los sistemas de comunicación inalámbricos de cuarta y quinta generación (4G y 5G) utilizan una capa física (PHY) basada en modulaciones multiportadora para la transmisión de datos con un gran ancho de banda. Este tipo de modulaciones han demostrado tener una alta eficiencia espectral a la vez que permiten corregir de forma sencilla los efectos del canal radio. Estos sistemas utilizan OFDMA como mecanismo para el reparto de los recursos radio disponibles entre los diferentes usuarios. Este reparto se realiza asignando un subconjunto de subportadoras a cada usuario en un instante de tiempo determinado. Esto aporta una gran flexibilidad al sistema que le permite adaptarse tanto a los requisitos de calidad de servicio de los usuarios como al estado del canal radio. La capa de acceso al medio (MAC) de estos sistemas se encarga de configurar los diversos parámetros proporcionados por la capa física OFDMA, además de gestionar los diversos flujos de información de cada usuario, transformando los paquetes de capas superiores en paquetes de la capa física. En este trabajo se estudia el diseño e implementación de las capas MAC y PHY de sistemas de comunicación 4G además de su aplicabilidad en sistemas de transporte ferroviarios. Por una parte, se aborda el diseño e implementación en tiempo real del estándar WiMAX. Se estudian los mecanismos necesarios para establecer comunicaciones bidireccionales entre una estación base y múltiples dispositivos móviles. Además, se estudia cómo realizar esta implementación en una arquitectura hardware basada en DSPs y FPGAs, en la que se implementan las capas MAC y PHY. Dado que esta arquitectura tiene unos recursos computacionales limitados, también se estudian las necesidades de cada módulo del sistema para poder garantizar el funcionamiento en tiempo real del sistema completo. Por otra parte, también se estudia la aplicabilidad de los sistemas 4G a sistemas de transporte públicos. Los sistemas de comunicaciones y señalización son una parte vital para los sistemas de transporte ferroviario y metro. Las comunicaciones inalámbricas utilizadas por estos sistemas deben ser robustas y proporcionar una alta fiabilidad para permitir la supervisión, control y seguridad del tráfico ferroviario. Para llevar a cabo esta evaluación de viabilidad se realizan simulaciones de redes de comunicaciones LTE en entornos de transporte ferroviarios, comprobando si se cumplen los requisitos de fiabilidad y seguridad. Se realizan diferentes simulaciones del sistema de comunicaciones para poder ser evaluados y seleccionar la configuración y arquitectura del sistema más adecuada en función del escenario planteado. También se efectúan simulaciones de redes basadas en Wi-Fi, dado que es la solución más utilizada en los metros, para comparar los resultados con los obtenidos para LTE. Para que los resultados de las simulaciones sean realistas se deben utilizar modelos de propagación radio apropiados. En las simulaciones se utilizan tanto modelos deterministas como modelos basados en los resultados de campañas de medida realizadas en estos escenarios. En las simulaciones se utilizan los diferentes flujos de información de estos escenarios para comprobar que se cumplen sus requisitos de calidad de servicio. Por ejemplo, los flujos críticos para el control ferroviario, como European Train Control System (ETCS) o Communication-Based Train Control (CBTC), necesitan una alta fiabilidad y un retardo bajo en las comunicaciones para garantizar el correcto funcionamiento del sistema.[Abstract] The fourth and fifth generation wireless communication systems (4G and 5G) use a physical layer (PHY) based on multicarrier modulations for data transmission using high bandwidth. This type of modulations has shown to provide high spectral efficiency while allowing low complexity radio channel equalization. These systems use OFDMA as a mechanism for distributing the available radio resources among different users. This allocation is done by assigning a subset of subcarriers to each user in a given instant of time. This provides great flexibility to the system that allows it to adapt to both the quality of service requirements of users and the radio channel state. The media access layer (MAC) of these systems is in charge of configuring the multiple OFDMA PHY layer parameters, in addition to managing the data flows of each user, transforming the higher layer packets into PHY layer packets. This work studies the design and implementation of MAC and PHY layers of 4G communication systems as well as their applicability in rail transport systems. On the one hand, the design and implementation in real time of the WiMAX standard is addressed. The required mechanisms to establish bidirectional communications between a base station and several mobile devices are also evaluated. Moreover, a MAC layer and PHY layer implementation is presented, using a hardware architecture based in DSPs and FPGAs. Since this architecture has limited computational resources, the requirements of each processing block of the system are also studied in order to guarantee the real time operation of the complete system. On the other hand, the applicability of 4G systems to public transportation systems is also studied. Communications and signaling systems are a vital part of rail and metro transport systems. The wireless communications used by these systems must be robust and provide high reliability to enable the supervision, control and safety of rail traffic. To carry out this feasibility assessment, LTE communications network simulations are performed in rail transport environments to verify that reliability and safety requirements are met. Several simulations are carried out in order to evaluate the system performance and select the most appropriate system configuration in each case. Simulations of Wi-Fi based networks are also carried out, since it is the most used solution in subways, to compare the results with those obtained for LTE. To perform the simulations correctly, appropriate radio propagation models must be used. Both deterministic models and models based on the results of measurement campaigns in these scenarios are used in the simulations. The simulations use the different information flows present in the railway transportation systems to verify that its quality of service requirements are met. For example, critical flows for railway control, such as the European Train Control System (ETCS) or Communication-Based Train Control (CBTC), require high reliability and low delay communications to ensure the proper functioning of the system

Subcarrier and Power Allocation in WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) is one of the latest technologies for providing Broadband Wireless Access (BWA) in a metropolitan area. The use of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) transmissions has been proposed in WiMAX to mitigate the complications which are associated with frequency selective channels. In addition, the multiple access is achieved by using orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) scheme which has several advantages such as flexible resource allocation, relatively simple transceivers, and high spectrum efficient. In OFDMA the controllable resources are the subcarriers and the allocated power per subband. Moreover, adaptive subcarrier and power allocation techniques have been selected to exploit the natural multiuser diversity. This leads to an improvement of the performance by assigning the proper subcarriers to the user according to their channel quality and the power is allocated based on water-filling algorithm. One simple method is to allocate subcarriers and powers equally likely between all users. It is well known that this method reduces the spectral efficiency of the system, hence, it is not preferred unless in some applications. In order to handle the spectral efficiency problem, in this thesis we discuss three novel resources allocation algorithms for the downlink of a multiuser OFDM system and analyze the algorithm performances based on capacity and fairness measurement. Our intensive simulations validate the algorithm performances.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Design and evaluation of OFDM radio interfaces for high mobility communications

[Resumo] Nas dúas últimas décadas, as modulacións multiportadora emerxeron como una solución de baixa complexidade para combatir os efectos do multitraxecto en comuniacións sen fíos. Entre elas, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFOM) é posiblemente o esquema de modulación máis estudado, e tamén amplamente adoptado como alicerce de estándares da industria como WiMAX ou LTE. Sen embargo, OFDM é sensible a canles que varian ca tempo, unha característica dos escenarios con mobilidade, debido á aparición da interferencia entre portadoras (ICI). A implementación de equipamento hardware para o usuario final faise normalmente en chips dedicados, afnda que entornos de investigación, prefírense solucións máis flexibles. Unha aproximación popular é a coñecida como Software Defined Radio (SOR), onde os algoritmos de procesado de sinal se implementan en hardware reconfigurable como Digital Signal Processors (OSPs) e Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). O obxectivo deste traballo é dobre. Por un lado, definir unha arquitectura para implementacións de tempo real de capas físicas basadas en OFDM usando como referencia O estándar WiMAX, probada Dunha plataforma composta por OSPs e FPGAs. Por outra banda, estudar os efectos da selectividade en tempo no sinal OFDM, definindo métodos de estimación de canle que teñen en conta a ICI, e evaluándoos tanto en simulación como con medidas experimentais. Seguíronse dúas aproximacións para caracterizar o comportamento de formas de onda OFDM baixo condicións de mobilidade, unha basada nun emulador de canle que traballa en tempo real, e outra en inducir grandes ensanchamentos Doppler no sinal mediante a extensión da duración do símbolo OFOM.[Resumen] En las dos últimas décadas, las modulaciones multiportadora han emergido como una solución de baja complejidad para combatir los efectos del multitrayecto en comunicaciones iDalámbricas. Entre ellas, Orthogonal Frequency Division Mulriplexing (OFDM) es posiblemente el esquema de modulación más estudiado, y también ampliamente adoptado como fundamento de estándares de la industria como WiMAX o LTE. Sin embargo, OFDM es sensible a canales que varían con el tiempo, una característica de los escenarios coo movilidad, debido a la aparicióo de la interferencia entre portadoras (ICI). La implementación de equipamiento hardware para el usuario final se hace normalmente en chips dedicados, aunque eo entornos de investigación, son preferibles soluciones más Hexibles. Una aproximación popular es la conocida como Software Defined Radio (SDR), donde los algOritmos de procesado de señal se implementan en hardware reconfigurable como Digital Signa! Processors (DSPs) y Field Programmable Gate AIrays (FPGAs). El objetivo de este trabajo es doble. Por un lado. definir una arquitectura para implementaciones de tiempo real de capas ¡lSicas basadas en OFDM usando como referencia el estándar WiMAX, probada en una plataforma compuesta por DSPs y FPGAs. Por otro lado, estudiar los efectos de la selectividad en tiempo en la señal OFDM, definiendo métodos de estimacióo de canal que tengan eo cueota la ICI, y evaluándolos tanto en simulación como con medidas experimenta1es. Se han seguido dos aproximaciones para caracterizar el comportamiento de formas de onda OFDM bajo condiciones de mobilidad, una basada en un emulador de canal que trabaja en tiempo real. y otra en inducir grandes ensanchamientos Doppler en la señal mediante la extensión de la duración del símbolo OFDM.[Abstract] In Ihe last two decades, multicarrier modulations have emerged as a low complexity solulion to combal the effects of Ihe multipalh in wireless communicalions. Among Ihem, Orthogonal Frequency Division Mulliplexing (OFOM) is possibly Ihe mosl sludied modulation scheme, and has a1so been widely adopted as Ihe foundation of induslry standards such as WiMAX or LTE. However, OFOM is sensitive lo time selective channels, which are featured in mobility scenarlos, due lO Ihe appearance of Inler-Carrier Interference (ICI). Implemenlation of hardware equipmenl for Ihe end user is usually implemenled in dedicaled chips, bul in researeh environments, more flexible solutions are preferred. One popular approach is the so ealled Software Defined Radio (SOR), where the signal processing a1gorithms are implemented in reconfigurable hardware sueh as Digital Signal Processors (DSPs) and Field Prograrnmable Gate Arrays (FPGAs). The aim of Ibis work is two-fold. On the one hand, to define an architeclure for Ihe implementation of real-time OFOM-based physical layers, using as a reference Ihe WiMAX standard, and it is tested on a platform composed by DSPs and FPGAs. On the olher hand, to study Ihe effeets of !he time seleetivity on !he OFOM signal, defining channel estimation me!hods aware of !he ICI, and ils evaluation bo!h in simulation as well as experimental measuremenls. Two approaches have been followed to assess the behavior of OFOM waveforms under mobility conditions, one based on a real-time channel emulator, and the other on inducing large Doppler spreads in !he signal by extending the duration of Ihe OFDM symbols

4G Technology Features and Evolution towards IMT-Advanced

Kiinteiden- ja mobiilipalveluiden kysyntä kasvaa nopeasti ympäri maailmaa. Älykkäiden päätelaitteiden, kuten iPhone:n ja Nokia N900:n markkinoilletulo yhdistettynä näiden korkeaan markkinapenetraatioon ja korkealuokkaiseen käyttäjäkokemukseen lisäävät entisestään palveluiden kysyntää ja luovat tarpeen jatkuvalle innovoinnille langattomien teknologioiden alalla tavoitteena lisäkapasiteetin ja paremman palvelunlaadun tarjoaminen. Termi 4G (4th Generation) viittaa tuleviin neljännen sukupolven mobiileihin langattomiin palveluihin, jotka International Telecommunications Union:in Radiocommunication Sector (ITU-R) on määritellyt ja nimennyt International Mobile Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced). Nämä ovat järjestelmiä, jotka pitävät sisällään IMT:n ne uudet ominaisuudet, jotka ylittävät IMT-2000:n vaatimukset. Long Term Evolution-Advanced (LTE-Advanced) ja IEEE 802.16m ovat IMT-A sertifiointiin lähetetyt kaksi pääasiallista kandidaattiteknologiaa. Tässä diplomityössä esitellään kolmannen sukupolven järjestelmien kehityspolku LTE:hen ja IEEE 802.16e-2005 asti. Lisäksi työssä esitetään LTE-Advanced:n ja IEEE 802.16m:n uudet vaatimukset ja ominaisuudet sekä vertaillaan näiden lähestymistapoja IMT-A vaatimusten täyttämiseksi. Lopuksi työssä luodaan katsaus LTE ja IEEE 802.16e-2005 (markkinointinimeltään Mobile WiMAX) -järjestelmien markkinatilanteeseen.The demand for affordable bandwidth in fixed and mobile services is growing rapidly around the world. The emergence of smart devices like the iPhone and Nokia N900, coupled with their high market penetration and superior user experience is behind this increased demand, inevitably driving the need for continued innovations in the wireless data technologies industry to provide more capacity and higher quality of service. The term "4G" meaning the 4th Generation of wireless technology describes mobile wireless services which have been defined by the ITU's Radiocommunication Sector (ITU-R) and titled International Mobile Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced). These are mobile systems that include the new capabilities of IMT that go beyond those of IMT-2000. Long Term Evolution-Advanced (LTE-Advanced) and IEEE 802.16m are the two main candidate technologies submitted for IMT-Advanced certification. This thesis reviews the technology roadmap up to and including current 3G systems LTE from the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) and IEEE 802.16e-2005 from the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Furthermore, new requirements and features for LTE-Advanced and IEEE 802.16m as well as a comparative approach towards IMT-Advanced certification are presented. Finally, the thesis concludes with a discussion on the market status and deployment strategies of LTE and IEEE 802.16e-2005, or Mobile WiMAX as it is being marketed

Green radio communication networks applying radio-over-fibre technology for wireless access

Wireless communication increasingly is becoming the first choice link to enter into the global information society. It is an essential part of broadband communication networks, due to its capacity to cover the end-user domain, outdoors or indoors. The use of mobile phones and broadband has already exceeded the one of the fixed telephones and has caused tremendous changes in peoples life, as not only to be recognised in the current political overthrows. The all-around presence of wireless communication links combined with functions that support mobility will make a roaming person-bound communication network possible in the near future. This idea of a personal network, in which a user has his own communication environment available everywhere, necessitates immense numbers of radio access points to maintain the wireless links and support mobility. The progress towards “all-around wireless” needs budget and easily maintainable radio access points, with simplified signal processing and consolidation of the radio network functions in a central station. The RF energy consumption in mobile base stations is one of the main problems in the wireless communication system, which has led to the worldwide research in so called green communication, which offers an environmentally friendly and cost-effective solution. In order to extend networks and mobility support, the simplification of antenna stations and broadband communication capacity becomes an increasingly urgent demand, also the extension of the wireless signal transmission distance to consolidate the signal processing in a centralised site. Radio-over-Fibre technology (RoF) was considered and found to be the most promising solution to achieve effective delivery of wireless and baseband signals, also to reduce RF energy consumption. The overall aim of this research project was to simulate the transmission of wireless and baseband RF signals via fibre for a long distance in high quality, consuming a low-power budget. Therefore, this thesis demonstrated a green radio communication network and the advantage of transmitting signals via fibre rather than via air. The contributions of this research work were described in the follows: Firstly, a comparison of the power consumption in WiMAX via air and fibre is presented. As shown in the simulation results, the power budget for the transmission of 64 QAM WiMAX IEEE 802.16-2005 via air for a distance of 5km lies at -189.67 dB, whereas for the transmission via RoF for a distance of 140km, the power consumption ranges at 65dB. Through the deployment of a triple symmetrical compensator technique, consisting of SMF, DCF and FBG, the transmission distance of the 54 Mbps WiMAX signal can be increased to 410km without increasing the power budget of 65dB. An amendment of the triple compensator technique to SMF, DCF and CFBG allows a 120Mbps WiMAX signal transmission with a clear RF spectrum of 3.5 GHz and constellation diagram over a fibre length of 792km using a power budget of 192dB. Secondly, the thesis demonstrates a simulation setup for the deployment of more than one wireless system, namely 64 QAM WiMAX IEEE 802.16-2005 and LTE, for a data bit rate of 1Gbps via Wavelength Division Multiplexing (WDM) RoF over a transmission distance of 1800km. The RoF system includes two triple symmetrical compensator techniques - DCF, SMF, and CFBG - to obtain a large bandwidth, power budget of 393.6dB and a high signal quality for the long transmission distance. Finally, the thesis proposed a high data bit rate and energy efficient simulation architecture, applying a passive optical component for a transmission span up to 600km. A Gigabit Optical Passive Network (GPON) based on RoF downlink 2.5 Gbps and uplink 1.25Gbps is employed to carry LTE and WiMAX, also 18 digital channels by utilising Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM). The setup achieved high data speed, a low-power budget of 151.2dB, and an increased service length of up to 600km

A real-time FPGA-based implementation of a high-performance MIMO-OFDM mobile WiMAX transmitter

The Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is considered a key technology in modern wireless-access communication systems. The IEEE 802.16e standard, also denoted as mobile WiMAX, utilizes the MIMO-OFDM technology and it was one of the first initiatives towards the roadmap of fourth generation systems. This paper presents the PHY-layer design, implementation and validation of a high-performance real-time 2x2 MIMO mobile WiMAX transmitter that accounts for low-level deployment issues and signal impairments. The focus is mainly laid on the impact of the selected high bandwidth, which scales the implementation complexity of the baseband signal processing algorithms. The latter also requires an advanced pipelined memory architecture to timely address the datapath operations that involve high memory utilization. We present in this paper a first evaluation of the extracted results that demonstrate the performance of the system using a 2x2 MIMO channel emulation.Postprint (published version