42 research outputs found
Feedback Mechanisms for Centralized and Distributed Mobile Systems
The wireless communication market is expected to witness considerable growth in the immediate future due to increasing smart device usage to access real-time data. Mobile devices become the predominant method of Internet access via cellular networks (4G/5G) and the onset of virtual reality (VR), ushering in the wide deployment of multiple bands, ranging from TVWhite Spaces to cellular/WiFi bands and on to mmWave. Multi-antenna techniques have been considered to be promising approaches in telecommunication to optimize the utilization of radio spectrum and minimize the cost of system construction. The performance of multiple antenna technology depends on the utilization of radio propagation properties and feedback of such information in a timely manner. However, when a signal is transmitted, it is usually dispersed over time coming over different paths of different lengths due to reflections from obstacles or affected by Doppler shift in mobile environments. This motivates the design of novel feedback mechanisms that improve the performance of multi-antenna systems. Accurate channel state information (CSI) is essential to increasing throughput in multiinput, multi-output (MIMO) systems with digital beamforming. Channel-state information for the operation of MIMO schemes (such as transmit diversity or spatial multiplexing) can be acquired by feedback of CSI reports in the downlink direction, or inferred from uplink measurements assuming perfect channel reciprocity (CR). However, most works make the assumption that channels are perfectly reciprocal. This assumption is often incorrect in practice due to poor channel estimation and imperfect channel feedback. Instead, experiments have demonstrated that channel reciprocity can be easily broken by multiple factors. Specifically, channel reciprocity error (CRE) introduced by transmitter-receiver imbalance have been widely studied by both simulations and experiments, and the impact of mobility and estimation error have been fully investigated in this thesis. In particular, unmanned aerial vehicles (UAVs) have asymmetric behavior when communicating with one another and to the ground, due to differences in altitude that frequently occur. Feedback mechanisms are also affected by channel differences caused by the user’s body. While there has been work to specifically quantify the losses in signal reception, there has been little work on how these channel differences affect feedback mechanisms.
In this dissertation, we perform system-level simulations, implement design with a software defined radio platform, conduct in-field experiments for various wireless communication systems to analyze different channel feedback mechanisms. To explore the feedback mechanism, we then explore two specific real world scenarios, including UAV-based beamforming communications, and user-induced feedback systems
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Geostatistical Techniques for Practical Wireless Network Coverage Mapping
The problem of mapping the extent of “usable” coverage of an existing wireless network is important in a large number of applications, including communicating the abilities of the network to users, identifying coverage gaps and planning expansion, discovering opportunities for spectrum reuse, and determining possible sources of interference with other networks. This thesis addresses fundamental but unsolved problems of measurement-based wireless coverage mapping: where should measurements be made, how many are necessary, and what can be said about the coverage at points that have not been measured. To address these problems, this thesis advocates a geostatistical approach using optimized spatial sampling and ordinary Kriging. A complete system for coverage mapping is developed that systematically addresses measurement, sampling, spatial modeling, interpolation, and visualization. This geostatistical method is able to produce more accurate and robust coverage maps than the current state of the art methods, and is able to discover coverage holes as effectively as dedicated heuristic methods using a small number of measurements. Several important practical extensions are investigated: applying these methods to drive-test measurements which have been resampled to alleviate effects from sampling bias, and crowd-sourced coverage mapping applications where volunteer-collected measurements may be sparse or infrequent. The resulting maps can then be refined iteratively, and updated systematically over time using an optimized iterative sampling scheme. An extensive validation is performed using measurements of production WiFi, WiMax, GSM, and LTE networks in representative urban and suburban outdoor environments
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
Smart Sensor Technologies for IoT
The recent development in wireless networks and devices has led to novel services that will utilize wireless communication on a new level. Much effort and resources have been dedicated to establishing new communication networks that will support machine-to-machine communication and the Internet of Things (IoT). In these systems, various smart and sensory devices are deployed and connected, enabling large amounts of data to be streamed. Smart services represent new trends in mobile services, i.e., a completely new spectrum of context-aware, personalized, and intelligent services and applications. A variety of existing services utilize information about the position of the user or mobile device. The position of mobile devices is often achieved using the Global Navigation Satellite System (GNSS) chips that are integrated into all modern mobile devices (smartphones). However, GNSS is not always a reliable source of position estimates due to multipath propagation and signal blockage. Moreover, integrating GNSS chips into all devices might have a negative impact on the battery life of future IoT applications. Therefore, alternative solutions to position estimation should be investigated and implemented in IoT applications. This Special Issue, “Smart Sensor Technologies for IoT” aims to report on some of the recent research efforts on this increasingly important topic. The twelve accepted papers in this issue cover various aspects of Smart Sensor Technologies for IoT
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
Cross-layer energy-efficient schemes for multimedia content delivery in heterogeneous wireless networks
The wireless communication technology has been developed focusing on fulfilling the demand in various parts of human life. In many real-life cases, this demand directs to most types of commonly-used rich-media applications which – with diverse traffic patterns - often require high quality levels on the devices of wireless network users. Deliveries of applications with different patterns are accomplished using heterogeneous wireless networks using multiple types of wireless network structure simultaneously. Meanwhile, content deliveries with assuring quality involve increased energy consumption on wireless network devices and highly challenge their limited power resources. As a result, many efforts have been invested aiming at high-quality and energy-efficient rich-media content deliveries in the past years.
The research work presented in the thesis focuses on developing energy-aware content delivery schemes in heterogeneous wireless networks. This thesis has four major contributions outlined below:
1. An energy-aware mesh router duty cycle management scheme (AOC-MAC) for high-quality video deliveries over wireless mesh networks. AOC-MAC manages the sleep-periods of mesh devices based on link-state communication condition, reducing their energy consumption by extending their sleep-periods.
2. An energy efficient routing algorithm (E-Mesh) for high-quality video deliveries over wireless mesh networks. E-Mesh evolves an innovative energy-aware OLSR-based routing algorithm by taking energy consumption, router position and network load into consideration.
3. An energy-aware multi-flow-based traffic load balancing scheme (eMTCP) for multi-path content delivery over heterogeneous wireless networks. The scheme makes use of the MPTCP protocol at the upper transport layer of network, allowing data streams to be delivered across multiple consequent paths. Meanwhile, this benefit of MPTCP is also balanced with energy consumption awareness by partially off-loading traffic from the paths with higher energy cost to others.
4. A MPTCP-based traffic-characteristic-aware load balancing mechanism (eMTCP-BT) for heterogeneous wireless networks. In eMTCP-BT, mobile applications are categorized according to burstiness level. eMTCP-BT increases the energy efficiency of the application content deliveries by performing a MDP-based distribution of traffic delivery via the available wireless network interfaces and paths based on the traffic burstiness level