Broadband wireless communication systems for high mobility scenarios

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e Comunicación en Redes Móbiles. 553V01[Resumen] A lo largo de los últimos años el uso de servicios multimedia y, en general, basados en el acceso a información “en la nube”, experimentó un auge sin precedentes. A diferencia respecto del pasado, los usuarios no solamente acceden a los servicios desde una ubicación estática; por contra, navegan libremente entre distintos lugares al tiempo que acceden, desde sus dispositivos móviles, a servicios en la nube. Debido al ritmo de vida actual, el tránsito entre zonas rurales y ciudades también se incrementó de modo notable, al ubicarse la mayor parte de los lugares de trabajo en ciudades o en sus respectivos entornos. Durante los períodos de transporte, cada vez más, los pasajeros emplean sus dispositivos móviles para trabajar, acceder a redes sociales o como dispositivos de entretenimiento. En la actualidad, GSM for Railways (GSM-R) es el sistema de comunicaciones más empleado entre los trenes y el resto de elementos involucrados en la infraestructura ferroviaria. Sin embargo, GSM-R no es adecuado para proporcionar servicios avanzados, tales como el control de piloto automático, así como para sustentar transmisiones de banda ancha a los operadores ferroviarios o proporcionar servicios de valor añadido a los pasajeros. Centrándonos en el mercado de dispositivos de comunicaciones de ámbito general, la explosión de usuarios y servicios multimedia de los últimos años motivó la migración, primero a las redes de tercera generación y, seguidamente, a las de cuarta, con Long Term Evolution (LTE) a la cabeza. Así, parece natural plantear a LTE como la tecnología candidata para la sustitución de GSM-R. En el presente trabajo se lleva a cabo un completo estudio de las prestaciones de sistemas de comunicaciones inalámbricas de banda ancha en vehículos de alta velocidad basado en campañas de medidas llevadas a cabo en entornos reales. Se estudió especialmente el caso de comunicaciones LTE en trenes de alta velocidad. Se proponen técnicas de reducción del coste y complejidad en relación a las evaluaciones en entornos de alta velocidad y se prueba su funcionamiento de modo analítico, mediante simulación y empíricamente. De cara a validar los desarrollos presentados en esta tesis en relación a los últimos avances en materia comunicaciones, se consideraron también las más novedosas propuestas para sistemas de quinta generación, actualmente aún en fase de definición. Es más, se evaluaron, tanto mediante simulación como vía medidas en entornos de alta velocidad, las prestaciones brindadas por las propuestas para sistemas de comunicaciones de quinta generación. El código fuente del GTEC Testbed y del GTEC 5G Simulator está disponible públicamente bajo la licencia GPLv3 en https://bitbucket.org/tomas_bolano/gtec_testbed_public.git.[Resumo] Ao longo dos últimos anos o uso de servizos multimedia e, en xeral, baseados no acceso a información contida “na nube”, experimentou un auxe sen precedentes. A diferencia respecto do pasado, os usuarios non soamente acceden aos servizos dende unha ubicación estática; pola contra, navegan libremente entre distintos lugares ao tempo que acceden, dende os seus dispositivos móbiles, a servizos na nube. Debido ao ritmo de vida actual, o tránsito entre zonas rurais e cidades tamén se incrementou de modo notable, ao ubicarse a maior parte dos lugares de traballo nas cidades ou nas súas respectivas contornas. Durante os períodos de transporte, cada vez máis, os pasaxeiros empregan os seus dispositivos móbiles para traballar, acceder a redes sociais ou como ferramenta de entretemento. O factor común da maior parte dos servizos típicamente empregados é a súa dependencia respecto do acceso á rede. Na actualidade, GSM for Railways (GSM-R), baseado no xa vetusto GSM, é o sistema de comunicacións máis empregado entre os trens e o resto dos elementos involucrados na infraestrutura ferroviaria. Sen embargo, GSM-R non é axeitado para proporcionar servizos avanzados, tales como o control de piloto automático, así como para sustentar transmisións de banda ancha aos operadores ferroviarios ou proporcionar servizos de valor engadido aos pasaxeiros. Botando unha ollada ao mercado de dispositivos de comunicacións de ámbito xeral, a explosión de usuarios e servizos multimedia dos últimos anos motivou a migración, primeiro ás redes de terceira xeración e, seguidamente, ás de cuarta, con Long Term Evolution (LTE) á cabeza. Así, parece natural plantexar LTE como o candidato para a substitución de GSM-R. No presente traballo lévase a cabo un completo estudo das prestacións de sistemas de comunicacións sen fíos de banda ancha en vehículos de alta velocidade baseado en campañas de medidas levadas a cabo en contornas reais de alta velocidade. Estudouse especialmente o caso de comunicacións LTE en trens de alta velocidade. Propóñense técnicas de redución de custo e complexidade en relación ás avaliacións en contornas de alta velocidade e valídase o seu funcionamento de xeito analítico, mediante simulación e empíricamente. Os desenvolvementos presentados nesta tese foron validados para os sistemas de quinta xeración, aínda en fase de definición. Avaliáronse, mediante simulación e experimentalmente en contornas de alta velocidade, as prestacións brindadas polas propostas para sistemas de comunicacións de quinta xeración. O código fonte do GTEC Testbed e do GTEC 5G Simulator está dispoñible públicamente baixo a licenza GPLv3 en https://bitbucket.org/tomas_bolano/gtec_testbed_public.git.[Abstract] Over the last few years multimedia and data-based services experienced a non-stopping growth. Unlike before, people do not use the services only from a static location, but they are continuously on the move between different scenarios, using their mobile devices to access data-based services. In parallel, commuter traffic from rural areas is also rising, since most of work places are in and around cities. During transportation, people intensively employ mobile devices to work, access to social networks, or as an entertainment means. Internet access is required for most of these services. Currently, GSM for Railways (GSM-R), which is based on the Global System for Mobile Communications (GSM), is the most widely used communication system between trains and the elements involved in operation, control, and intercommunication within the railway infrastructure. However, GSM-R is not well suited for supporting advanced services such as automatic pilot applications or provisioning broadband services to the train staff and passengers. Besides trains, the increasing number of broadband services available for mobile devices motivated the migration from third-generation mobile networks to fourth generation ones, mainly Long Term Evolution (LTE). Therefore, LTE seems to be a good candidate to substitute the GSM as the fundamental technology for railway communications. In this work a complete study on the performance of high capacity broadband wireless communication systems for high speed vehicles is presented, based on measurement campaigns in actual high speed environments. Special attention is devoted to the case of LTE in high speed trains. Techniques to greatly reduce the cost and complexity of measurement-based evaluations in high speed scenarios are proposed and proven to work analytically, by means of simulations and by measurements in actual high speed environments. With the aim of checking the validity of the findings of this work for the latest advances in wireless communication systems, proposals for fifth generation (5G) communication systems, currently still under definition, were also considered. Moreover, the performance of the proposals for 5G communication systems was also evaluated by means of simulations as well as by measuring in high speed environments. The source code of both the GTEC Testbed and the GTEC 5G Simulator is publicly available under the GPLv3 license at https://bitbucket.org/tomas_bolano/gtec_testbed_public.git

Experimental evaluation in wireless communications

This editorial sums up relevant topics on the assessment of wireless communication systems covered by the especial issue entitled "Experimental Evaluation in Wireless Communications". The topics include practical aspects on the implementation of distributed asynchronous non-linear kernel methods over wireless sensor networks; localization methods based on the exploitation of radio-frequency identification (RFID) wireless sensors and cellular networks or on sparsity approximations; channel sounding and assessment of broadband orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)-based wireless systems in high-speed vehicular communications; coexistence analysis of femtocell-based and outdoor-to-indoor systems; techniques for peak-to-average power ratio (PAPR) reduction; new solutions for baseband and radio frequency (RF) hardware impairments in full-duplex wireless systems; and, finally, suitability of interference alignment for broadband indoor wireless communications

Interference alignment testbeds

Interference alignment has triggered high impact research in wireless communications since it was proposed nearly 10 years ago. However, the vast majority of research is centered on the theory of interference alignment and is hardly feasible in view of the existing state-of-the-art wireless technologies. Although several research groups have assessed the feasibility of interference alignment via testbed measurements in realistic environments, the experimental evaluation of interference alignment is still in its infancy since most of the experiments were limited to simpler scenarios and configurations. This article summarizes the practical limitations of experimentally evaluating interference alignment, provides an overview of the available interference alignment testbed implementations, including the costs, and highlights the imperatives for succeeding interference alignment testbed implementations. Finally, the article explores future research directions on the applications of interference alignment in the next generation wireless systems.Jacobo Fanjul's research has been supported by the Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) of Spain, under grants TEC2013-47141-C4-R (RACHEL project) and FPI grant BES-2014-069786. José A. García-Naya's research has been funded by the Xunta de Galicia (ED431C 2016–045, ED341D R2016/012, E0431 G/01), the Agencia Estatal de Investigación of Spain (TEC2013-47141-C4-1-R, TEC2015-69648-REOC, TEC2016-75067-C4-1-R), and ERDF funds of the EU (AEI/FEDER, UE). Hamed Farhadi's research has been funded by the Swedish Research Council (VR) under grant 2015–00500

Diseño y evaluación de nuevas formas e onda para comunicaciones de alta movilidad

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e Comunicación en Redes Móbiles. 553V01[Resumo] Os servizos multimedia e de datos experimentaron un crecemento continuo nos últimos anos e espérase que crezan aínda máis nos anos seguintes. A xente está a usar cada vez máis os seus dispositivos móbiles para acceder a servizos baseados en datos para fins relacionados co traballo, entretemento ou socialización en liña. Ademais, as comunicacións masivas de tipo máquina tamén están en ascenso (por exemplo, as comunicacións en transporte e loxística, sensores, Internet das cousas, etc.), e serán moi importantes para a nova xeración de sistemas de comunicacións sen fíos. Para afrontar o aumento esperado no uso de servizos multimedia e baseado en datos, así como para soportar novos casos de uso que hoxe non son posibles, unha nova xeración de redes sen fíos é necesaria. Para iso, espérase que os sistemas de comunicación sen fíos 5G traian as melloras necesarias: maiores taxas de datos, baixas latencias, mellor eficiencia enerxética, alta fiabilidade, etc. O coñecemento das características da canle sen fíos é fundamental para a planificación das redes de comunicación sen fíos e o deseño de transceptores. Como primeiro paso, centramos este traballo na caracterización completa da canle para diferentes escenarios, como son os trens de alta velocidade, metro e comunicacións vehículo a infraestrutura en estradas. A canle caracterizouse mediante a avaliación da relación sinal a ruído, a perda de traxecto (path loss) e os chamados parámetros condensados da canle (por exemplo, o factor K, o perfil potencia-retardo (power delay profile) e a densidade espectral de potencia Doppler. Ademais, para a nova interface aérea das redes 5G, unha das principais cuestións foi a forma de onda a usar. Finalmente, o 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decidiu usar a tecnoloxía de multiplexación por división de frecuencias ortogonais (OFDM polas súas siglas en inglés). Isto semella unha elección natural debido ás moitas vantaxes de OFDM e que tamén é a técnica de modulación empregada nas redes 4G. Con todo, nos últimos anos, esquemas multiportadora baseados en bancos de filtros (FBMC polas súas siglas en inglés) recibiron unha grande atención como alternativa a OFDM debido ás súas vantaxes: non utilizan un prefixo cíclico (proporcionan unha maior eficiencia espectral), os usuarios non precisan ser sincronizados no enlace ascendente, e un mellor rendemento teórico en contornas de alta velocidade debido a unha menor interferencia entre portadoras. Neste traballo comparamos experimentalmente o rendemento de FBMC e OFDM en contornas de alta velocidade. Tamén analizamos o rendemento de FBMC e OFDM no caso de uso práctico dun vehículo aéreo lixeiro pilotado remotamente. A maior parte do traballo realizado nesta tese requiriu o deseño e desenvolvemento do chamado GTEC 5G Simulator, que foi usado en conxunto co GTEC Testbed para realizar a maior parte das campañas de medicións e avaliacións de rendemento mediante transmisións polo aire.[Resumen] Los servicios multimedia y basados en datos experimentaron un crecimiento sin interrupciones en los últimos años, y se espera que crezcan aún más en los años siguientes. Las personas utilizan cada vez más sus dispositivos móviles para acceder a los servicios basados en datos con fines relacionados con el trabajo, el entretenimiento o la socialización en línea. Además, las comunicaciones masivas de tipo máquina también están en aumento (por ejemplo, comunicaciones en transporte y logística, sensores, Internet de las cosas, etc.) y serán muy importantes para la nueva generación de sistemas de comunicaciones inalámbricos. Para hacer frente al aumento esperado en el uso de servicios multimedia y basados en datos, así como para soportar nuevos casos de uso que no son posibles hoy en día, se requiere una nueva generación de sistemas inalámbricos. Para esto, se espera que los sistemas de comunicación inalámbrica 5G aporten las mejoras necesarias: mayores tasas de datos, menores latencias, mejor eficiencia energética, alta fiabilidad, etc. El conocimiento de las características del canal inalámbrico es fundamental para la planificación de redes de comunicación inalámbricas y el diseño de transceptores. Como primer paso, centramos este trabajo en la caracterización completa del canal para diferentes escenarios, tales como trenes de alta velocidad, metro y comunicaciones vehículo a infraestructura en carreteras. El canal se caracterizó por medio de la evaluación de la relación señal a ruido, la pérdida de trayecto (path loss) y los llamados parámetros condensados de canal (por ejemplo, el factor K, el perfil potencia-retardo (power delay profile) y la densidad espectral de potencia Doppler). Además, para la nueva interfaz aérea de las redes 5G, una de las preguntas principales ha sido la forma de onda a usar. Finalmente, el 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decidió usar la tecnología de multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM por sus siglas en inglés). Esta es una elección lógica, debido a las muchas ventajas exhibidas por OFDM y dado que también es la técnica de modulación empleada en las redes 4G. Sin embargo, en los últimos años, los esquemas multiportadora basados en bancos de filtros (FBMC por sus siglas en inglés) han recibido una gran atención como una alternativa a OFDM debido a sus ventajas: no usan un prefijo cíclico (lo que proporciona una mayor eficiencia espectral), los usuarios no necesitan sincronizarse en el enlace ascendente, y un mejor rendimiento teórico en escenarios de alta velocidad debido a una menor interferencia entre subportadoras. En este trabajo comparamos experimentalmente el rendimiento de FBMC y OFDM en entornos de alta velocidad. También analizamos el rendimiento de FBMC y OFDM en el caso de uso práctico de un vehículo aéreo ligero tripulado remotamente. La mayor parte del trabajo llevado a cabo en esta tesis requirió el diseño y desarrollo del denominado GTEC 5G Simulator, que se utilizó junto con el GTEC Testbed para realizar la mayoría de las campañas de medidas y evaluaciones de rendimiento por medio de transmisiones por aire.[Abstract] Multimedia and data-based services experienced a non-stopping growth over the last few years and are expected to grow even more in the following years. People are using more and more their mobile devices to access data-based services for work-related purposes, entertainment or online socialization. Moreover, massive machine-type communications are also on the rise (e.g., transport and logistics communications, sensors, Internet of Things, etc.), and will be very important for the new generation of wireless communication systems. To cope with the expected increase in the usage of multimedia and data-based services, as well as to support new use cases which are not possible today, a new generation of wireless systems is required. For this, 5G wireless communication systems are expected to bring the necessary improvements: higher data rates, lower latencies, better energy efficiency, high reliability, etc. Knowledge of the wireless channel characteristics is fundamental for the planning of wireless communication networks and transceivers design. As a first step, this work centered in the channel characterization for different scenarios such as high-speed trains, subways, and vehicle-to-infrastructure in roads. The channel was characterized by means of assessing the signal-to-noise ratio, the path loss, and the so-called channel condensed parameters (e.g., the K-factor, the power delay profile, and the Doppler power spectral density). Moreover, for the new air interface of 5G networks, one of the main questions was the waveform to be used. Finally, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decided to use orthogonal frequencydivision multiplexing (OFDM). This seems a natural choice due to the many advantages exhibited by OFDM and it is also the modulation technique employed by 4G networks. However, over the last few years, schemes based on filter bank multicarrier (FBMC) using quadrature amplitude modulation have received a great attention as an alternative to OFDM due to their advantages: they do not use a cyclic prefix (thus providing a higher bandwidth efficiency), users do not need to be synchronized in the uplink, and they achieve a theoretical better performance in high-speed scenarios due to a lower inter-carrier interference. In this work, we have experimentally compared the performance of FBMC versus OFDM in high-speed scenarios. We have also analyzed the performance of FBMC versus OFDM in the practical use case of a lightweight remotely piloted aircraft. The majority of the work carried out in this thesis required the design and development of the so-called GTEC 5G Simulator, which was used in conjunction with the GTEC Testbed to perform most of the measurement campaigns and performance evaluations by means of over-the-air transmissions

Diseño y evaluación de nuevas formas e onda para comunicaciones de alta movilidad

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e Comunicación en Redes Móbiles. 553V01[Resumo] Os servizos multimedia e de datos experimentaron un crecemento continuo nos últimos anos e espérase que crezan aínda máis nos anos seguintes. A xente está a usar cada vez máis os seus dispositivos móbiles para acceder a servizos baseados en datos para fins relacionados co traballo, entretemento ou socialización en liña. Ademais, as comunicacións masivas de tipo máquina tamén están en ascenso (por exemplo, as comunicacións en transporte e loxística, sensores, Internet das cousas, etc.), e serán moi importantes para a nova xeración de sistemas de comunicacións sen fíos. Para afrontar o aumento esperado no uso de servizos multimedia e baseado en datos, así como para soportar novos casos de uso que hoxe non son posibles, unha nova xeración de redes sen fíos é necesaria. Para iso, espérase que os sistemas de comunicación sen fíos 5G traian as melloras necesarias: maiores taxas de datos, baixas latencias, mellor eficiencia enerxética, alta fiabilidade, etc. O coñecemento das características da canle sen fíos é fundamental para a planificación das redes de comunicación sen fíos e o deseño de transceptores. Como primeiro paso, centramos este traballo na caracterización completa da canle para diferentes escenarios, como son os trens de alta velocidade, metro e comunicacións vehículo a infraestrutura en estradas. A canle caracterizouse mediante a avaliación da relación sinal a ruído, a perda de traxecto (path loss) e os chamados parámetros condensados da canle (por exemplo, o factor K, o perfil potencia-retardo (power delay profile) e a densidade espectral de potencia Doppler. Ademais, para a nova interface aérea das redes 5G, unha das principais cuestións foi a forma de onda a usar. Finalmente, o 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decidiu usar a tecnoloxía de multiplexación por división de frecuencias ortogonais (OFDM polas súas siglas en inglés). Isto semella unha elección natural debido ás moitas vantaxes de OFDM e que tamén é a técnica de modulación empregada nas redes 4G. Con todo, nos últimos anos, esquemas multiportadora baseados en bancos de filtros (FBMC polas súas siglas en inglés) recibiron unha grande atención como alternativa a OFDM debido ás súas vantaxes: non utilizan un prefixo cíclico (proporcionan unha maior eficiencia espectral), os usuarios non precisan ser sincronizados no enlace ascendente, e un mellor rendemento teórico en contornas de alta velocidade debido a unha menor interferencia entre portadoras. Neste traballo comparamos experimentalmente o rendemento de FBMC e OFDM en contornas de alta velocidade. Tamén analizamos o rendemento de FBMC e OFDM no caso de uso práctico dun vehículo aéreo lixeiro pilotado remotamente. A maior parte do traballo realizado nesta tese requiriu o deseño e desenvolvemento do chamado GTEC 5G Simulator, que foi usado en conxunto co GTEC Testbed para realizar a maior parte das campañas de medicións e avaliacións de rendemento mediante transmisións polo aire.[Resumen] Los servicios multimedia y basados en datos experimentaron un crecimiento sin interrupciones en los últimos años, y se espera que crezcan aún más en los años siguientes. Las personas utilizan cada vez más sus dispositivos móviles para acceder a los servicios basados en datos con fines relacionados con el trabajo, el entretenimiento o la socialización en línea. Además, las comunicaciones masivas de tipo máquina también están en aumento (por ejemplo, comunicaciones en transporte y logística, sensores, Internet de las cosas, etc.) y serán muy importantes para la nueva generación de sistemas de comunicaciones inalámbricos. Para hacer frente al aumento esperado en el uso de servicios multimedia y basados en datos, así como para soportar nuevos casos de uso que no son posibles hoy en día, se requiere una nueva generación de sistemas inalámbricos. Para esto, se espera que los sistemas de comunicación inalámbrica 5G aporten las mejoras necesarias: mayores tasas de datos, menores latencias, mejor eficiencia energética, alta fiabilidad, etc. El conocimiento de las características del canal inalámbrico es fundamental para la planificación de redes de comunicación inalámbricas y el diseño de transceptores. Como primer paso, centramos este trabajo en la caracterización completa del canal para diferentes escenarios, tales como trenes de alta velocidad, metro y comunicaciones vehículo a infraestructura en carreteras. El canal se caracterizó por medio de la evaluación de la relación señal a ruido, la pérdida de trayecto (path loss) y los llamados parámetros condensados de canal (por ejemplo, el factor K, el perfil potencia-retardo (power delay profile) y la densidad espectral de potencia Doppler). Además, para la nueva interfaz aérea de las redes 5G, una de las preguntas principales ha sido la forma de onda a usar. Finalmente, el 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decidió usar la tecnología de multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM por sus siglas en inglés). Esta es una elección lógica, debido a las muchas ventajas exhibidas por OFDM y dado que también es la técnica de modulación empleada en las redes 4G. Sin embargo, en los últimos años, los esquemas multiportadora basados en bancos de filtros (FBMC por sus siglas en inglés) han recibido una gran atención como una alternativa a OFDM debido a sus ventajas: no usan un prefijo cíclico (lo que proporciona una mayor eficiencia espectral), los usuarios no necesitan sincronizarse en el enlace ascendente, y un mejor rendimiento teórico en escenarios de alta velocidad debido a una menor interferencia entre subportadoras. En este trabajo comparamos experimentalmente el rendimiento de FBMC y OFDM en entornos de alta velocidad. También analizamos el rendimiento de FBMC y OFDM en el caso de uso práctico de un vehículo aéreo ligero tripulado remotamente. La mayor parte del trabajo llevado a cabo en esta tesis requirió el diseño y desarrollo del denominado GTEC 5G Simulator, que se utilizó junto con el GTEC Testbed para realizar la mayoría de las campañas de medidas y evaluaciones de rendimiento por medio de transmisiones por aire.[Abstract] Multimedia and data-based services experienced a non-stopping growth over the last few years and are expected to grow even more in the following years. People are using more and more their mobile devices to access data-based services for work-related purposes, entertainment or online socialization. Moreover, massive machine-type communications are also on the rise (e.g., transport and logistics communications, sensors, Internet of Things, etc.), and will be very important for the new generation of wireless communication systems. To cope with the expected increase in the usage of multimedia and data-based services, as well as to support new use cases which are not possible today, a new generation of wireless systems is required. For this, 5G wireless communication systems are expected to bring the necessary improvements: higher data rates, lower latencies, better energy efficiency, high reliability, etc. Knowledge of the wireless channel characteristics is fundamental for the planning of wireless communication networks and transceivers design. As a first step, this work centered in the channel characterization for different scenarios such as high-speed trains, subways, and vehicle-to-infrastructure in roads. The channel was characterized by means of assessing the signal-to-noise ratio, the path loss, and the so-called channel condensed parameters (e.g., the K-factor, the power delay profile, and the Doppler power spectral density). Moreover, for the new air interface of 5G networks, one of the main questions was the waveform to be used. Finally, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decided to use orthogonal frequencydivision multiplexing (OFDM). This seems a natural choice due to the many advantages exhibited by OFDM and it is also the modulation technique employed by 4G networks. However, over the last few years, schemes based on filter bank multicarrier (FBMC) using quadrature amplitude modulation have received a great attention as an alternative to OFDM due to their advantages: they do not use a cyclic prefix (thus providing a higher bandwidth efficiency), users do not need to be synchronized in the uplink, and they achieve a theoretical better performance in high-speed scenarios due to a lower inter-carrier interference. In this work, we have experimentally compared the performance of FBMC versus OFDM in high-speed scenarios. We have also analyzed the performance of FBMC versus OFDM in the practical use case of a lightweight remotely piloted aircraft. The majority of the work carried out in this thesis required the design and development of the so-called GTEC 5G Simulator, which was used in conjunction with the GTEC Testbed to perform most of the measurement campaigns and performance evaluations by means of over-the-air transmissions

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

Content-aware radio resource management for IMT-advanced systems

Radio Resource Management (RRM) is crucial to efficiently and correctly manage the delivery of quality-of-service (QoS) in IMT-Advanced systems. Various methods on radio resource management for LTE/LTE-Advanced traffic have been studied by researchers especially regarding QoS handling of video packet transmissions. Usually, cross-layer optimisation (CLO) involving the PHY and MAC layers, has been used to provide proper resource allocation and distribution to the entire system. Further initiatives to include the APP layer as part of CLO techniques have gained considerable attention by researchers. However, some of these methods did not adequately consider the level of compatibility with legacy systems and standards. Furthermore, the methods did not wholly address User Equipment (UE) mobility or performance metrics for a specific data type or a specified period. Consequently, in this thesis, a content-aware radio RRM model employing a cross-layer optimiser focusing on a video conferencing/streaming application for a single cell long-term evolution (LTE) system has been proposed. Based on two constructed look-up tables, the cross-layer optimiser was found to dynamically adjust the transmitted video data rates depending on the UE or eNodeB SINR performance. The proposed look-up tables were derived from the performance study of the LTE classical (baseline) simulation model for various distances at a certain UE velocity. Two performance parameters, namely the average throughput and measured SINR were matched together to find the most suitable data rates for video delivery in both the uplink and downlink transmissions. The developed content-aware RRM model was then tested against the LTE baseline simulation model, to benchmark its capability to be used as an alternative to existing RRM methods in the present LTE system. Based on the detailed simulations, the output performance demonstrated that for video packet delivery in both uplink and downlink transmissions, the content-aware RRM model vastly outperformed the legacy LTE baseline simulation model with regard to the packet loss ratio and average end-to-end delay for the same amount of throughput. The baseline simulation model and the newly developed cross-layer approach were investigated and compared with practical measurement results in which PodNode technology, besides other components and supporting simulation software, were used to emulate the LTE communication system. The first emulation experiment involving the baseline model was generally in sync with the uplink throughput simulation performance. The second test which implemented the cross-layer approach employing the look-up table derived from the previous emulated results, confirmed the viability of the proposed content-aware RRM model to be used in current LTE or LTE-Advanced systems for improving the performance in the packet loss ratio and average packet delay

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

Analysis and Design of Joint Communication and Sensing for Wireless Cellular Networks

Joint communication and sensing (JCAS) has emerged as an important piece of technology that will radically change ordinary wireless communication and radar systems. This research area, which has significantly grown over the last decade, aims to develop integrated systems that can provide both communication and sensing/radar functionalities simultaneously. The convergence of both systems into the same joint platform facilitates a more efficient use of the hardware and spectrum resources, enabling new civilian and professional applications. This thesis focuses on the integration of JCAS functionalities into mobile cellular networks, such as fifth-generation new radio (5G NR) and sixth generation (6G) communication systems, which are developing toward higher frequency ranges at millimeter-wave (mm-wave) bands, coming with wider bandwidths, and have massive antenna arrays, providing a great framework to develop sensing functionalities. By implementing JCAS, the different nodes of the cellular network, such as the base station and user equipment, can sense and reconstruct their surroundings. However, the JCAS operation yields multiple design challenges that need to be addressed. To this end, this thesis aims to develop novel algorithms in two relevant research areas that comprise self-interference (SI) cancellation and beamforming optimization techniques for JCAS systems. This work analyzes the potential sensing performance of mobile cellular networks, proposing a joint framework and identifying the main radar processing techniques to support JCAS. The fundamental SI challenge stemming from the simultaneous operation of the transmitter and receiver is investigated, and different JCAS cancellation techniques are proposed. The performance and feasibility of the proposed JCAS system is evaluated through simulation and measurement experiments at different frequency bands and scenarios, identifying mm-wave frequencies as the key enabler for future JCAS systems. Alternative antenna architectures and beamforming methods for mm-wave JCAS platforms are proposed by considering both communication and sensing requirements. Specifically, this thesis proposes novel beamforming methods that provide multiple beams, supporting efficient beamformed communications while an additional beam senses the environment simultaneously. In addition, the proposed beam-forming algorithms address the SI challenge by implementing an efficient spatial suppression scheme to suppress the direct transmitter–receiver coupling

Wireless Channel Modeling and Reconstruction in Massive MIMO Systems

The past few years have witnessed dramatic growth in the number of wirelessly connected devices, which will continue to increase in the future. Following this trend, the capacity of the wireless networks has been enhanced to provide high-quality service to tens of billions of devices. At the same time, in response to the network enhancement, each device unashamedly requests more and more throughput to support high-data-consuming applications such as video calls, high-definition video streaming, and online multiplayer video games. This undoubtedly indicates that the demand for high wireless throughput and numerous new connections will keep increasing in the near future. In addition, the development of new technologies such as virtual/augmented reality, self-driving cars, remote surgery, and other latency-critical applications has caused concern regarding the network response latency. Thus, next-generation wireless networks have to satisfy three main requirements: i) high throughput; ii) simultaneous service to many users; and iii) low latency. Massive multiple-input multiple-output (MIMO) technology, where a base station (BS) equipped with a large antenna array is capable of serving many users simultaneously in the same time-frequency domain, has been developed to mitigate these requirements except the last. However, massive MIMO technology has to overcome the challenges related to the channel estimation (CE) overhead, which inevitably increases the communication latency, to become the absolute leader in the list of promising technologies for next-generation wireless communication. This dissertation focuses on developing solutions that are aimed to mitigate massive MIMO CE challenges. The dissertation consists of three main parts: massive MIMO channel modeling, user localization in massive MIMO networks, and full downlink channel reconstruction. The first part (Chapter 3) discusses an approach for modeling spatially consistent channels in massive MIMO networks. The main focus is put on describing specular reflections of wireless signals from arbitrarily inclined surfaces by taking into account the signals' polarizations and the spatial distributions of massive MIMO antennas. The proposed approach has been validated through simulating signal transmissions in a realistic environment model based on Google Maps. Results show the importance of incorporating a spherical wave propagation model and the consideration of detailed 3D characteristics of the surroundings in the simulation of massive MIMO channels. The second part (Chapter 4) introduces a solution for localizing users in massive MIMO networks. The main focus is on designing algorithms that are capable of estimating the positions of users using only uplink signals by exploring the advantages of the spherical wave propagation model proposed in the first section. The designed localization schemes have been evaluated through both simulation and proof-of-concept experiments. Simulation results show that the schemes can achieve decimeter-level localization accuracy using 64 and more antenna elements for distances up to 300 meters. The proof-of-concept experiment justifies the feasibility of user localization based on the estimation of the spherical shape of the incoming wavefront. The third part (Chapter 5) investigates the problem of reconstructing the full downlink channel from incomplete uplink channel measurements in massive MIMO systems. This problem arises in the next-generation networks, where connected devices have multiple transmitting and non-transmitting antennas. To achieve high throughput, channels for non-transmitting antennas have to be reconstructed. This section presents ARDI, a scheme that builds a bridge between the radio channel and physical signal propagation environment to link spatial information about the non-transmitting antennas with their radio channels. By inferring locations and orientations of the non-transmitting antennas from an incomplete set of uplink channels, ARDI can reconstruct the downlink channels for non-transmitting antennas. The performance evaluation results demonstrate that ARDI is capable of accurately reconstructing full downlink channels when the signal-to-noise ratio is higher than 15dB, thereby expanding the channel capacity of massive MIMO networks