Towards versatile access networks (Chapter 3)

Compared to its previous generations, the 5th generation (5G) cellular network features an additional type of densification, i.e., a large number of active antennas per access point (AP) can be deployed. This technique is known as massive multipleinput multiple-output (mMIMO) [1]. Meanwhile, multiple-input multiple-output (MIMO) evolution, e.g., in channel state information (CSI) enhancement, and also on the study of a larger number of orthogonal demodulation reference signal (DMRS) ports for MU-MIMO, was one of the Release 18 of 3rd generation partnership project (3GPP Rel-18) work item. This release (3GPP Rel-18) package approval, in the fourth quarter of 2021, marked the start of the 5G Advanced evolution in 3GPP. The other items in 3GPP Rel-18 are to study and add functionality in the areas of network energy savings, coverage, mobility support, multicast broadcast services, and positionin

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

Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks

Cooperative Radio Communications for Green Smart Environments

The demand for mobile connectivity is continuously increasing, and by 2020 Mobile and Wireless Communications will serve not only very dense populations of mobile phones and nomadic computers, but also the expected multiplicity of devices and sensors located in machines, vehicles, health systems and city infrastructures. Future Mobile Networks are then faced with many new scenarios and use cases, which will load the networks with different data traffic patterns, in new or shared spectrum bands, creating new specific requirements. This book addresses both the techniques to model, analyse and optimise the radio links and transmission systems in such scenarios, together with the most advanced radio access, resource management and mobile networking technologies. This text summarises the work performed by more than 500 researchers from more than 120 institutions in Europe, America and Asia, from both academia and industries, within the framework of the COST IC1004 Action on "Cooperative Radio Communications for Green and Smart Environments". The book will have appeal to graduates and researchers in the Radio Communications area, and also to engineers working in the Wireless industry. Topics discussed in this book include: • Radio waves propagation phenomena in diverse urban, indoor, vehicular and body environments• Measurements, characterization, and modelling of radio channels beyond 4G networks• Key issues in Vehicle (V2X) communication• Wireless Body Area Networks, including specific Radio Channel Models for WBANs• Energy efficiency and resource management enhancements in Radio Access Networks• Definitions and models for the virtualised and cloud RAN architectures• Advances on feasible indoor localization and tracking techniques• Recent findings and innovations in antenna systems for communications• Physical Layer Network Coding for next generation wireless systems• Methods and techniques for MIMO Over the Air (OTA) testin

Cooperative Radio Communications for Green Smart Environments

The demand for mobile connectivity is continuously increasing, and by 2020 Mobile and Wireless Communications will serve not only very dense populations of mobile phones and nomadic computers, but also the expected multiplicity of devices and sensors located in machines, vehicles, health systems and city infrastructures. Future Mobile Networks are then faced with many new scenarios and use cases, which will load the networks with different data traffic patterns, in new or shared spectrum bands, creating new specific requirements. This book addresses both the techniques to model, analyse and optimise the radio links and transmission systems in such scenarios, together with the most advanced radio access, resource management and mobile networking technologies. This text summarises the work performed by more than 500 researchers from more than 120 institutions in Europe, America and Asia, from both academia and industries, within the framework of the COST IC1004 Action on "Cooperative Radio Communications for Green and Smart Environments". The book will have appeal to graduates and researchers in the Radio Communications area, and also to engineers working in the Wireless industry. Topics discussed in this book include: • Radio waves propagation phenomena in diverse urban, indoor, vehicular and body environments• Measurements, characterization, and modelling of radio channels beyond 4G networks• Key issues in Vehicle (V2X) communication• Wireless Body Area Networks, including specific Radio Channel Models for WBANs• Energy efficiency and resource management enhancements in Radio Access Networks• Definitions and models for the virtualised and cloud RAN architectures• Advances on feasible indoor localization and tracking techniques• Recent findings and innovations in antenna systems for communications• Physical Layer Network Coding for next generation wireless systems• Methods and techniques for MIMO Over the Air (OTA) testin

Radio and computing resource management in SDR clouds

The aim of this thesis is defining and developing the concept of an efficient management of radio and computing resources in an SDR cloud. The SDR cloud breaks with today's cellular architecture. A set of distributed antennas are connected by optical fibre to data processing centres. The radio and computing infrastructure can be shared between different operators (virtualization), reducing costs and risks, while increasing the capacity and creating new business models and opportunities. The data centre centralizes the management of all system resources: antennas, spectrum, computing, routing, etc. Specially relevant is the computing resource management (CRM), whose objective is dynamically providing sufficient computing resources for a real-time execution of signal processing algorithms. Current CRM techniques are not designed for wireless applications. We demonstrate that this imposes a limit on the wireless traffic a CRM entity is capable to support. Based on this, a distributed management is proposed, where multiple CRM entities manage a cluster of processors, whose optimal size is derived from the traffic density. Radio resource management techniques (RRM) also need to be adapted to the characteristics of the new SDR cloud architecture. We introduce a linear cost model to measure the cost associated to the infrastructure resources consumed according to the pay-per-use model. Based on this model, we formulate the efficiency maximization power allocation problem (EMPA). The operational costs per transmitted bit achieved by EMPA are 6 times lower than with traditional power allocation methods. Analytical solutions are obtained for the single channel case, with and without channel state information at the transmitter. It is shown that the optimal transmission rate is an increasing function of the product of the channel gain with the operational costs divided by the power costs. The EMPA solution for multiple channels has the form of water-filling, present in many power allocation problems. In order to be able to obtain insights about how the optimal solution behaves as a function of the problem parameters, a novel technique based on ordered statistics has been developed. This technique allows solving general water-filling problems based on the channel statistics rather than their realization. This approach has allowed designing a low complexity EMPA algorithm (2 to 4 orders of magnitude faster than state-of-the-art algorithms). Using the ordered statistics technique, we have shown that the optimal transmission rate behaviour with respect to the average channel gains and cost parameters is equivalent to the single channel case and that the efficiency increases with the number of available channels. The results can be applied to design more efficient SDR clouds. As an example, we have derived the optimal ratio of number of antennas per user that maximizes the efficiency. As new users enter and leave the network, this ratio should be kept constant, enabling and disabling antennas dynamically. This approach exploits the dynamism and elasticity provided by the SDR cloud. In summary, this dissertation aims at influencing towards a change in the communications system management model (typically RRM), considering the introduction of the new infrastructure model (SDR cloud), new business models (based on Cloud Computing) and a more conciliatory view of an efficient resource management, not only focused on the optimization of the spectrum usage.El objetivo de esta tesis es de nir y desarrollar el concepto de gesti on e ciente de los recursos de radio y computaci on en un SDR cloud. El SDR cloud rompe con la estructura del sistema celular actual. Un conjunto de antenas distribuidas se conectan a centros de procesamiento mediante enlaces de comunicaci on de bra optica. La infraestructura de radio y procesamiento puede ser compartida entre distintos operadores (virtualizacion), disminuyendo costes y riesgos, aumentando la capacidad y abriendo nuevos modelos y oportunidades de negocio. La centralizaci on de la gesti on del sistema viene soportada por el centro de procesamiento, donde se realiza una gesti on de todos los recursos del sistema: antenas, espectro, computaci on, enrutado, etc. Resulta de especial relevancia la gesti on de los recursos de computaci on (CRM) cuyo objetivo es el de proveer, din amicamente, de su cientes recursos de computaci on para la ejecuci on en tiempo real de algoritmos de procesado del señal. Las t ecnicas actuales de CRM no han sido diseñadas para aplicaciones de comunicaciones. Demostramos que esta caracter stica impone un l ímite en el tr áfi co que un gestor CRM puede soportar. En base a ello, proponemos una gesti on distribuida donde m ultiples entidades CRM gestionan grupos de procesadores, cuyo tamaño optimo se deriva de la densidad de tr áfi co. Las t ecnicas actuales de gesti on de recursos radio (RRM) tambi en deben ser adaptadas a las caracter sticas de la nueva arquitectura SDR cloud. Introducimos un modelo de coste lineal que caracteriza los costes asociados al consumo de recursos de la infraestructura seg un el modelo de pago-por-uso. A partir de este modelo, formulamos el problema de asignaci on de potencia de m axima e ciencia (EMPA). Mediante una asignaci on EMPA, los costes de operaci on por bit transmitido son del orden de 6 veces menores que con los m etodos tradicionales. Se han obtenido soluciones anal ticas para el caso de un solo canal, con y sin informacion del canal disponible en el transmisor, y se ha demostrado que la velocidad optima de transmisi on es una funci on creciente del producto de la ganancia del canal por los costes operativos dividido entre los costes de potencia. La soluci on EMPA para varios canales satisface el modelo "water- lling", presente en muchos tipos de optimizaci on de potencia. Con el objetivo de conocer c omo esta se comporta en funci on de los par ametros del sistema, se ha desarrollado una t ecnica nueva basada en estadí sticas ordenadas. Esta t ecnica permite solucionar el problema del water- lling bas andose en la estadí stica del canal en vez de en su realizaci on. Este planteamiento, despu es de profundos an alisis matem aticos, ha permitido desarrollar un algoritmo de asignaci on de potencia de baja complejidad (2 a 4 ordenes de magnitud m as r apido que el estado del arte). Mediante esta t ecnica, se ha demostrado que la velocidad optima de transmisi on se comporta de forma equivalente al caso de un solo canal y que la e ciencia incrementa a medida que aumentan el numero de canales disponibles. Estos resultados pueden aplicarse a diseñar un SDR cloud de forma m as e ciente. A modo de ejemplo, hemos obtenido el ratio optimo de n umero de antenas por usuario que maximiza la e ciencia. A medida que los usuarios entran y salen de la red, este ratio debe mantenerse constante, a fin de mantener una efi ciencia lo m as alta posible, activando o desactivando antenas din amicamente. De esta forma se explota completamente el dinamismo ofrecido por una arquitectura el astica como el SDR cloud. En de nitiva, este trabajo pretende incidir en un cambio del modelo de gesti on de un sistema de comunicaciones (t ípicamente RRM) habida cuenta de la introducci on de una nueva infraestructura (SDR cloud), nuevos modelos de negocio (basados en Cloud Computing) y una visi on m as integradora de la gesti on e ciente de los recursos del sistema, no solo centrada en la optimizaci on del uso del espectro