Extending TDL based non-WSSUS vehicle-to-everything channel model

In den vergangenen Jahrzehnten haben drahtlose Kommunikationssysteme eine rasante Entwicklung durchgemacht und es wurden viele Untersuchungen durchgeführt, seit Maxwell die Existenz von elektromagnetischer Wellen vorausgesagt hat. In den letzten Jahren hat die Forschung im Bereich der vehicle to X (V2X)-Kommunikation stetig zugenommen. V2X beschreibt die Fähigkeit, Daten zwischen einem Fahrzeug oder vehicle (V) und “allem” zu übertragen. In Zukunft könnten Fahrzeuge mit ihrer Umgebung kommunizieren, um Verkehrsunfälle zu vermeiden und Staus zu verringern. Dazu werden sie ihr Geschwindigkeits- und Positionsdaten über Ad-hoc-Fahrzeugnetze senden und empfangen können. Um die Verkehrssicherheit zu erhöhen, ist eine zuverlässige Kommunikationsverbindung notwendig. Die größte Herausforderung bei der Fahrzeugkommunikation besteht darin, dass sich die Eigenschaften des Physical Layers aufgrund der inhärenten Mobilität innerhalb des Kanals, der hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, der unterschiedlichen Antennenpositionen und der vielen Handover aufgrund kleinerer Zellen schnell ändern. Dies bringt eine Reihe von Herausforderungen in Bezug auf die Kanalcharakterisierung mit sich. Es handelt sich um einen Kanal mit starker Zeitvarianz und es treten viele Übergänge auf. Somit handelt es sich um einen nicht-stationärer (non-stationary) Kanal. Das Hauptziel dieser Untersuchung ist es, eine Methode zu finden, mit der der Kanal einer komplexen Umgebung in einer einfachen Form mit weniger strengen Beziehungen zur Geometrie dargestellt werden kann. Dabei werden die statistischen Eigenschaften ähnlich der Messdaten beibehalten. In dieser Arbeit werden nichtstationäre tapped delay line (TDL)-Modelle verwendet, um vehicle to infrastructure (V2I)-Kanäle zu beschreiben. Es wird eine neue Strategie zur Extraktion von TDL-Kanalmodellparametern aus Messdaten vorgeschlagen. Dieser Ansatz basiert auf einer bestehenden Methode zur Ableitung von Parametern für ein TDLModell. Es wird gezeigt, dass mit einer anderen Methode zur Auswahl der Taps die Anzahl der Abgriffe, die zur Rekonstruktion der root mean square delay spread (RMS-DS) eines Kanals erforderlich sind, erheblich reduziert werden kann. Ein neuer Ansatz zur überprüfen der Korrektheit der Ableitung der Kanalmodellparameter wird aufgezeigt. Die Durchführbarkeit der Methode wird anhand von Channel Sounding Messungen bestätigt. In dieser Dissertation wird ein Generator zur Erzeugung von Kanalimpulsantworten entwickelt und das nichtstationäre Verhalten der Kanäle durch die Verwendung eines ON/OFF-Prozesses beschrieben. Es werden Markov-Ketten unterschiedlicher Ordnung modelliert, um das nicht-stationäre Verhalten besser zu erfassen. Die Untersuchung zeigt, dass Markov-Ketten erster Ordnung mit zwei Zuständen vorzuziehen sind, um das häufige ON/OFF-Verhalten von Mehrwegpfaden darzustellen, und dass die Markov-Modelle zweiter und dritter Ordnung keine großen Auswirkungen haben. Eine Methode zur Erweiterung eines single input single output (SISO)-TDL-Modells auf multiple input multiple output (MIMO) unter der non-wide sense stationary uncorrelated scattering (non-WSSUS)-Annahme wird eingeführt, um TDL-Kanalmodelle für V2I MIMO-Systeme zu entwickeln. Die Analyse bewertet die SISO- mit der MIMO-Konfiguration in Bezug auf die Kanalkapazität. Es werden verschiedene MIMO-Konfigurationen untersucht, und es wird gezeigt, dass die Position der Antennen eine wichtige Rolle spielt. Die Verwendung von nur vier Antennen am transmitter (Tx) und receiver (Rx), die in unterschiedliche Richtungen abstrahlen, führt zu einem qualitativen Sprung in der Leistungsfähigkeit des Systems.In the past decades, wireless communication systems have undergone rapid development, and many investigations have been done since Maxwell predicted the existence of electromagnetic waves. In recent years, vehicle to X (V2X) communication research has been growing steadily. V2X describes the ability to transmit data between a vehicle (V) and “everything”. In the future, vehicles might be able to communicate with their environment to prevent traffic accidents and reduce congestion by allowing vehicles to transmit and receive data through a vehicular ad hoc network at their speed and position. In order to achieve the ultimate goal of enhancing transportation safety, it is crucial to establish reliable communication links. The main challenge of vehicular communications introduces new properties because the physical layer properties are rapidly changing due to inherent mobility within the channel, high vehicle speeds, varying antenna positions, and many handovers due to smaller cells. This brings up a number of challenges in terms of channel characterization because it is a strong time-variant channel and many transitions occur; therefore, it is a non-stationary channel. In this thesis, non-stationary tapped delay line (TDL) models are used to describe the vehicle to infrastructure (V2I) channels. This thesis proposes a new strategy to extract TDL channel model parameters from measurement data. The proposed approach is based on an existing method to derive parameters for a TDL model. It will be shown that with a different method of choosing taps, the number of taps necessary to regenerate the root mean square delay spread (RMS-DS) of a channel can be significantly reduced. An approach is proposed to verify the correctness of the channel model parameters derivation. The feasibility of the method will be confirmed using channel-sounding measurements. This dissertation devises a generator to produce channel impulse responses (CIRs) and describes the non-stationary behavior of the channels via employing an ON/OFF process. Different order Markov chains are modeled with the aim of better capturing the non-stationary behavior. The investigation shows that first-order two-state Markov chains are preferable to represent multipath’s frequent ON/OFF behavior, and the second- and third-order Markov models do not make enormous effects. A method for extending a single input single output (SISO)-TDL model to multiple input multiple output (MIMO) under non-wide sense stationary uncorrelated scattering (non-WSSUS) assumption is introduced to develop TDL channel models for the V2I MIMO systems. The analysis evaluates SISO- with MIMO configuration in terms of channel capacity. Different MIMO configurations are explored, and it will be illustrated that the position of antennas plays an important role. Using only four antennas at the transmitter (Tx) and receiver (Rx) that radiate towards different directions will make a qualitative leap in the performance of the system

A Survey of Air-to-Ground Propagation Channel Modeling for Unmanned Aerial Vehicles

In recent years, there has been a dramatic increase in the use of unmanned aerial vehicles (UAVs), particularly for small UAVs, due to their affordable prices, ease of availability, and ease of operability. Existing and future applications of UAVs include remote surveillance and monitoring, relief operations, package delivery, and communication backhaul infrastructure. Additionally, UAVs are envisioned as an important component of 5G wireless technology and beyond. The unique application scenarios for UAVs necessitate accurate air-to-ground (AG) propagation channel models for designing and evaluating UAV communication links for control/non-payload as well as payload data transmissions. These AG propagation models have not been investigated in detail when compared to terrestrial propagation models. In this paper, a comprehensive survey is provided on available AG channel measurement campaigns, large and small scale fading channel models, their limitations, and future research directions for UAV communication scenarios

Design and analysis of a beacon-less routing protocol for large volume content dissemination in vehicular ad hoc networks

Largevolumecontentdisseminationispursuedbythegrowingnumberofhighquality applications for Vehicular Ad hoc NETworks(VANETs), e.g., the live road surveillance service and the video-based overtaking assistant service. For the highly dynamical vehicular network topology, beacon-less routing protocols have been proven to be efficient in achieving a balance between the system performance and the control overhead. However, to the authors’ best knowledge, the routing design for large volume content has not been well considered in the previous work, which will introduce new challenges, e.g., the enhanced connectivity requirement for a radio link. In this paper, a link Lifetime-aware Beacon-less Routing Protocol (LBRP) is designed for large volume content delivery in VANETs. Each vehicle makes the forwarding decision based on the message header information and its current state, including the speed and position information. A semi-Markov process analytical model is proposed to evaluate the expected delay in constructing one routing path for LBRP. Simulations show that the proposed LBRP scheme outperforms the traditional dissemination protocols in providing a low end-to-end delay. The analytical model is shown to exhibit a good match on the delay estimation with Monte Carlo simulations, as well