Cognitive radio for TVWS usage

Spectrum scarcity is an emerging issue in wireless communication systems due to the increasing demand of broadband services like mobile communications, wireless internet access, IoT applications, among others. The migration of analog TV to digital systems (a.k.a. digital TV switchover) has led to the release of a significant spectrum share that can be used to support said additional services. Likewise, TV white spaces emerge as spectral opportunities that can also be explored. Hence, cognitive radio (CR) presents itself as a feasible approach to efficiently use resources and exploit gaps within the spectrum. The goal of this paper is to unveil the state of the art revolving around the usage of TV white spaces, including some of the most important methods developed to exploit such spaces, upcoming opportunities, challenges for future research projects, and suggestions to improve current models

Solutions for New Terrestrial Broadcasting Systems Offering Simultaneously Stationary and Mobile Services

221 p.[EN]Since the first broadcasted TV signal was transmitted in the early decades of the past century, the television broadcasting industry has experienced a series of dramatic changes. Most recently, following the evolution from analogue to digital systems, the digital dividend has become one of the main concerns of the broadcasting industry. In fact, there are many international spectrum authorities reclaiming part of the broadcasting spectrum to satisfy the growing demand of other services, such as broadband wireless services, arguing that the TV services are not very spectrum-efficient. Apart from that, it must be taken into account that, even if up to now the mobile broadcasting has not been considered a major requirement, this will probably change in the near future. In fact, it is expected that the global mobile data traffic will increase 11-fold between 2014 and 2018, and what is more, over two thirds of the data traffic will be video stream by the end of that period. Therefore, the capability to receive HD services anywhere with a mobile device is going to be a mandatory requirement for any new generation broadcasting system. The main objective of this work is to present several technical solutions that answer to these challenges. In particular, the main questions to be solved are the spectrum efficiency issue and the increasing user expectations of receiving high quality mobile services. In other words, the main objective is to provide technical solutions for an efficient and flexible usage of the terrestrial broadcasting spectrum for both stationary and mobile services. The first contributions of this scientific work are closely related to the study of the mobile broadcast reception. Firstly, a comprehensive mathematical analysis of the OFDM signal behaviour over time-varying channels is presented. In order to maximize the channel capacity in mobile environments, channel estimation and equalization are studied in depth. First, the most implemented equalization solutions in time-varying scenarios are analyzed, and then, based on these existing techniques, a new equalization algorithm is proposed for enhancing the receivers’ performance. An alternative solution for improving the efficiency under mobile channel conditions is treating the Inter Carrier Interference as another noise source. Specifically, after analyzing the ICI impact and the existing solutions for reducing the ICI penalty, a new approach based on the robustness of FEC codes is presented. This new approach employs one dimensional algorithms at the receiver and entrusts the ICI removing task to the robust forward error correction codes. Finally, another major contribution of this work is the presentation of the Layer Division Multiplexing (LDM) as a spectrum-efficient and flexible solution for offering stationary and mobile services simultaneously. The comprehensive theoretical study developed here verifies the improved spectrum efficiency, whereas the included practical validation confirms the feasibility of the system and presents it as a very promising multiplexing technique, which will surely be a strong candidate for the next generation broadcasting services.[ES]Desde el comienzo de la transmisión de las primeras señales de televisión a principios del siglo pasado, la radiodifusión digital ha evolucionado gracias a una serie de cambios relevantes. Recientemente, como consecuencia directa de la digitalización del servicio, el dividendo digital se ha convertido en uno de los caballos de batalla de la industria de la radiodifusión. De hecho, no son pocos los consorcios internacionales que abogan por asignar parte del espectro de radiodifusión a otros servicios como, por ejemplo, la telefonía móvil, argumentado la poca eficiencia espectral de la tecnología de radiodifusión actual. Asimismo, se debe tener en cuenta que a pesar de que los servicios móviles no se han considerado fundamentales en el pasado, esta tendencia probablemente variará en el futuro cercano. De hecho, se espera que el tráfico derivado de servicios móviles se multiplique por once entre los años 2014 y 2018; y lo que es más importante, se pronostica que dos tercios del tráfico móvil sea video streaming para finales de ese periodo. Por lo tanto, la posibilidad de ofrecer servicios de alta definición en dispositivos móviles es un requisito fundamental para los sistemas de radiodifusión de nueva generación. El principal objetivo de este trabajo es presentar soluciones técnicas que den respuesta a los retos planteados anteriormente. En particular, las principales cuestiones a resolver son la ineficiencia espectral y el incremento de usuarios que demandan mayor calidad en los contenidos para dispositivos móviles. En pocas palabras, el principal objetivo de este trabajo se basa en ofrecer una solución más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. La primera contribución relevante de este trabajo está relacionada con la recepción de la señal de televisión en movimiento. En primer lugar, se presenta un completo análisis matemático del comportamiento de la señal OFDM en canales variantes con el tiempo. A continuación, con la intención de maximizar la capacidad del canal, se estudian en profundidad los algoritmos de estimación y ecualización. Posteriormente, se analizan los algoritmos de ecualización más implementados, y por último, basándose en estas técnicas, se propone un nuevo algoritmo de ecualización para aumentar el rendimiento de los receptores en tales condiciones. Del mismo modo, se plantea un nuevo enfoque para mejorar la eficiencia de los servicios móviles basado en tratar la interferencia entre portadoras como una fuente de ruido. Concretamente, tras analizar el impacto del ICI en los receptores actuales, se sugiere delegar el trabajo de corrección de dichas distorsiones en códigos FEC muy robustos. Finalmente, la última contribución importante de este trabajo es la presentación de la tecnología LDM como una manera más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. El análisis teórico presentado confirma el incremento en la eficiencia espectral, mientras que el estudio práctico valida la posible implementación del sistema y presenta la tecnología LDM c

Implementation of a DVB-T2 passive coherent locator demonstrator

Passive Coherent Locator (PCL) radar’s have seen extensive research in the past decade. PCL radars utilize illuminators of opportunity (IOO) as transmitters to perform target detection. Particular interests in FM (analogue) and DVB-T/T2, DAB (digital) radio frequency signals has seen significant focus as possible illuminators for radar processing. The University of Cape Town (UCT) , in particular, has extensive history on passive radar research including the implementation of a full narrowband FM PCL radar demonstrator. This dissertation details the design and implementation of a DVB-T2 Passive Coherent Locator radar demonstrator isolating a single DVB-T2 channel. This includes the design, construction, testing and evaluation of the full PCL radar system. System planning was implemented detailing the possible IOOs available in the Cape Town area. This was followed by signal propagation simulations to determine the effects the environment would have on the transmitted wave utilising Advanced Refractive Effects Prediction System (AREPS) model. A front-end design was simulated and implemented utilizing commercial-of-the-shelf (COTS) hardware including the National Instruments Ettus N210 software defined Radio (SDR) based on the system planning results. A processing chain for DVB-T2 based PCL radar was then investigated to determine the most optimal processing chain structure, with the mismatched filtering technique being proposed as an ideal choice for DVB-T2 PCL radar. The proposed processing chain was implemented and tested on both the Ettus N210 front-end as well as a commercial system. The full radar demonstrator was then tested by observing the air traffic surrounding the Cape Town International airport resulting in successful detections of aircraft in the surveyed environment

Real-Time Waveform Prototyping

Mobile Netzwerke der fünften Generation zeichen sich aus durch vielfältigen Anforderungen und Einsatzszenarien. Drei unterschiedliche Anwendungsfälle sind hierbei besonders relevant: 1) Industrie-Applikationen fordern Echtzeitfunkübertragungen mit besonders niedrigen Ausfallraten. 2) Internet-of-things-Anwendungen erfordern die Anbindung einer Vielzahl von verteilten Sensoren. 3) Die Datenraten für Anwendung wie z.B. der Übermittlung von Videoinhalten sind massiv gestiegen. Diese zum Teil gegensätzlichen Erwartungen veranlassen Forscher und Ingenieure dazu, neue Konzepte und Technologien für zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme in Betracht zu ziehen. Ziel ist es, aus einer Vielzahl neuer Ideen vielversprechende Kandidatentechnologien zu identifizieren und zu entscheiden, welche für die Umsetzung in zukünftige Produkte geeignet sind. Die Herausforderungen, diese Anforderungen zu erreichen, liegen jedoch jenseits der Möglichkeiten, die eine einzelne Verarbeitungsschicht in einem drahtlosen Netzwerk bieten kann. Daher müssen mehrere Forschungsbereiche Forschungsideen gemeinsam nutzen. Diese Arbeit beschreibt daher eine Plattform als Basis für zukünftige experimentelle Erforschung von drahtlosen Netzwerken unter reellen Bedingungen. Es werden folgende drei Aspekte näher vorgestellt: Zunächst erfolgt ein Überblick über moderne Prototypen und Testbed-Lösungen, die auf großes Interesse, Nachfrage, aber auch Förderungsmöglichkeiten stoßen. Allerdings ist der Entwicklungsaufwand nicht unerheblich und richtet sich stark nach den gewählten Eigenschaften der Plattform. Der Auswahlprozess ist jedoch aufgrund der Menge der verfügbaren Optionen und ihrer jeweiligen (versteckten) Implikationen komplex. Daher wird ein Leitfaden anhand verschiedener Beispiele vorgestellt, mit dem Ziel Erwartungen im Vergleich zu den für den Prototyp erforderlichen Aufwänden zu bewerten. Zweitens wird ein flexibler, aber echtzeitfähiger Signalprozessor eingeführt, der auf einer software-programmierbaren Funkplattform läuft. Der Prozessor ermöglicht die Rekonfiguration wichtiger Parameter der physikalischen Schicht während der Laufzeit, um eine Vielzahl moderner Wellenformen zu erzeugen. Es werden vier Parametereinstellungen 'LLC', 'WiFi', 'eMBB' und 'IoT' vorgestellt, um die Anforderungen der verschiedenen drahtlosen Anwendungen widerzuspiegeln. Diese werden dann zur Evaluierung der die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung herangezogen. Drittens wird durch die Einführung einer generischen Testinfrastruktur die Einbeziehung externer Partner aus der Ferne ermöglicht. Das Testfeld kann hier für verschiedenste Experimente flexibel auf die Anforderungen drahtloser Technologien zugeschnitten werden. Mit Hilfe der Testinfrastruktur wird die Leistung des vorgestellten Transceivers hinsichtlich Latenz, erreichbarem Durchsatz und Paketfehlerraten bewertet. Die öffentliche Demonstration eines taktilen Internet-Prototypen, unter Verwendung von Roboterarmen in einer Mehrbenutzerumgebung, konnte erfolgreich durchgeführt und bei mehreren Gelegenheiten präsentiert werden.:List of figures List of tables Abbreviations Notations 1 Introduction 1.1 Wireless applications 1.2 Motivation 1.3 Software-Defined Radio 1.4 State of the art 1.5 Testbed 1.6 Summary 2 Background 2.1 System Model 2.2 PHY Layer Structure 2.3 Generalized Frequency Division Multiplexing 2.4 Wireless Standards 2.4.1 IEEE 802.15.4 2.4.2 802.11 WLAN 2.4.3 LTE 2.4.4 Low Latency Industrial Wireless Communications 2.4.5 Summary 3 Wireless Prototyping 3.1 Testbed Examples 3.1.1 PHY - focused Testbeds 3.1.2 MAC - focused Testbeds 3.1.3 Network - focused testbeds 3.1.4 Generic testbeds 3.2 Considerations 3.3 Use cases and Scenarios 3.4 Requirements 3.5 Methodology 3.6 Hardware Platform 3.6.1 Host 3.6.2 FPGA 3.6.3 Hybrid 3.6.4 ASIC 3.7 Software Platform 3.7.1 Testbed Management Frameworks 3.7.2 Development Frameworks 3.7.3 Software Implementations 3.8 Deployment 3.9 Discussion 3.10 Conclusion 4 Flexible Transceiver 4.1 Signal Processing Modules 4.1.1 MAC interface 4.1.2 Encoding and Mapping 4.1.3 Modem 4.1.4 Post modem processing 4.1.5 Synchronization 4.1.6 Channel Estimation and Equalization 4.1.7 Demapping 4.1.8 Flexible Configuration 4.2 Analysis 4.2.1 Numerical Precision 4.2.2 Spectral analysis 4.2.3 Latency 4.2.4 Resource Consumption 4.3 Discussion 4.3.1 Extension to MIMO 4.4 Summary 5 Testbed 5.1 Infrastructure 5.2 Automation 5.3 Software Defined Radio Platform 5.4 Radio Frequency Front-end 5.4.1 Sub 6 GHz front-end 5.4.2 26 GHz mmWave front-end 5.5 Performance evaluation 5.6 Summary 6 Experiments 6.1 Single Link 6.1.1 Infrastructure 6.1.2 Single Link Experiments 6.1.3 End-to-End 6.2 Multi-User 6.3 26 GHz mmWave experimentation 6.4 Summary 7 Key lessons 7.1 Limitations Experienced During Development 7.2 Prototyping Future 7.3 Open points 7.4 Workflow 7.5 Summary 8 Conclusions 8.1 Future Work 8.1.1 Prototyping Workflow 8.1.2 Flexible Transceiver Core 8.1.3 Experimental Data-sets 8.1.4 Evolved Access Point Prototype For Industrial Networks 8.1.5 Testbed Standardization A Additional Resources A.1 Fourier Transform Blocks A.2 Resource Consumption A.3 Channel Sounding using Chirp sequences A.3.1 SNR Estimation A.3.2 Channel Estimation A.4 Hardware part listThe demand to achieve higher data rates for the Enhanced Mobile Broadband scenario and novel fifth generation use cases like Ultra-Reliable Low-Latency and Massive Machine-type Communications drive researchers and engineers to consider new concepts and technologies for future wireless communication systems. The goal is to identify promising candidate technologies among a vast number of new ideas and to decide, which are suitable for implementation in future products. However, the challenges to achieve those demands are beyond the capabilities a single processing layer in a wireless network can offer. Therefore, several research domains have to collaboratively exploit research ideas. This thesis presents a platform to provide a base for future applied research on wireless networks. Firstly, by giving an overview of state-of-the-art prototypes and testbed solutions. Secondly by introducing a flexible, yet real-time physical layer signal processor running on a software defined radio platform. The processor enables reconfiguring important parameters of the physical layer during run-time in order to create a multitude of modern waveforms. Thirdly, by introducing a generic test infrastructure, which can be tailored to prototype diverse wireless technology and which is remotely accessible in order to invite new ideas by third parties. Using the test infrastructure, the performance of the flexible transceiver is evaluated regarding latency, achievable throughput and packet error rates.:List of figures List of tables Abbreviations Notations 1 Introduction 1.1 Wireless applications 1.2 Motivation 1.3 Software-Defined Radio 1.4 State of the art 1.5 Testbed 1.6 Summary 2 Background 2.1 System Model 2.2 PHY Layer Structure 2.3 Generalized Frequency Division Multiplexing 2.4 Wireless Standards 2.4.1 IEEE 802.15.4 2.4.2 802.11 WLAN 2.4.3 LTE 2.4.4 Low Latency Industrial Wireless Communications 2.4.5 Summary 3 Wireless Prototyping 3.1 Testbed Examples 3.1.1 PHY - focused Testbeds 3.1.2 MAC - focused Testbeds 3.1.3 Network - focused testbeds 3.1.4 Generic testbeds 3.2 Considerations 3.3 Use cases and Scenarios 3.4 Requirements 3.5 Methodology 3.6 Hardware Platform 3.6.1 Host 3.6.2 FPGA 3.6.3 Hybrid 3.6.4 ASIC 3.7 Software Platform 3.7.1 Testbed Management Frameworks 3.7.2 Development Frameworks 3.7.3 Software Implementations 3.8 Deployment 3.9 Discussion 3.10 Conclusion 4 Flexible Transceiver 4.1 Signal Processing Modules 4.1.1 MAC interface 4.1.2 Encoding and Mapping 4.1.3 Modem 4.1.4 Post modem processing 4.1.5 Synchronization 4.1.6 Channel Estimation and Equalization 4.1.7 Demapping 4.1.8 Flexible Configuration 4.2 Analysis 4.2.1 Numerical Precision 4.2.2 Spectral analysis 4.2.3 Latency 4.2.4 Resource Consumption 4.3 Discussion 4.3.1 Extension to MIMO 4.4 Summary 5 Testbed 5.1 Infrastructure 5.2 Automation 5.3 Software Defined Radio Platform 5.4 Radio Frequency Front-end 5.4.1 Sub 6 GHz front-end 5.4.2 26 GHz mmWave front-end 5.5 Performance evaluation 5.6 Summary 6 Experiments 6.1 Single Link 6.1.1 Infrastructure 6.1.2 Single Link Experiments 6.1.3 End-to-End 6.2 Multi-User 6.3 26 GHz mmWave experimentation 6.4 Summary 7 Key lessons 7.1 Limitations Experienced During Development 7.2 Prototyping Future 7.3 Open points 7.4 Workflow 7.5 Summary 8 Conclusions 8.1 Future Work 8.1.1 Prototyping Workflow 8.1.2 Flexible Transceiver Core 8.1.3 Experimental Data-sets 8.1.4 Evolved Access Point Prototype For Industrial Networks 8.1.5 Testbed Standardization A Additional Resources A.1 Fourier Transform Blocks A.2 Resource Consumption A.3 Channel Sounding using Chirp sequences A.3.1 SNR Estimation A.3.2 Channel Estimation A.4 Hardware part lis

Millimetre-Wave Fibre-Wireless Technologies for 5G Mobile Fronthaul

The unprecedented growth in mobile data traffic, driven primarily by bandwidth rich applications and high definition video is accelerating the development of fifth generation (5G) mobile network. As mobile access network evolves towards centralisation, mobile fronthaul (MFH) architecture becomes essential in providing high capacity, ubiquitous and yet affordable services to subscribers. In order to meet the demand for high data rates in the access, Millimetre-wave (mmWave) has been highlighted as an essential technology in the development of 5G-new radio (5G-NR). In the present MFH architecture which is typically based on common public radio interface (CPRI) protocol, baseband signals are digitised before fibre transmission, featuring high overhead data and stringent synchronisation requirements. A direct application of mmWave 5G-NR to CPRI digital MFH, where signal bandwidth is expected to be up to 1GHz will be challenging, due to the increased complexity of the digitising interface and huge overhead data that will be required for such bandwidth. Alternatively, radio over fibre (RoF) technique can be employed in the transportation of mmWave wireless signals via the MFH link, thereby avoiding the expensive digitisation interface and excessive overhead associated with its implementation. Additionally, mmWave carrier can be realised with the aid of photonic components employed in the RoF link, further reducing the system complexity. However, noise and nonlinearities inherent to analog transmission presents implementation challenges, limiting the system dynamic range. Therefore, it is important to investigate the effects of these impairments in RoF based MFH architecture. This thesis presents extensive research on the impact of noise and nonlinearities on 5G candidate waveforms, in mmWave 5G fibre wireless MFH. Besides orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), another radio access technology (RAT) that has received significant attention is filter bank multicarrier (FBMC), particularly due to its high spectral containment and excellent performance in asynchronous transmission. Hence, FBMC waveform is adopted in this work to study the impact of noise and nonlinearities on the mmWave fibre-wireless MFH architecture. Since OFDM is widely deployed and it has been adopted for 5G-NR, the performance of OFDM and FBMC based 5G mmWave RAT in fibre wireless MFH architecture is compared for several implementations and transmission scenarios. To this extent, an end to end transmission testbed is designed and implemented using industry standard VPI Transmission Maker® to investigate five mmWave upconversion techniques. Simulation results show that the impact of noise is higher in FBMC when the signal to-noise (SNR) is low, however, FBMC exhibits better performance compared to OFDM as the SNR improved. More importantly, an evaluation of the contribution of each noise component to the overall system SNR is carried out. It is observed in the investigation that noise contribution from the optical carriers employed in the heterodyne upconversion of intermediate frequency (IF) signals to mmWave frequency dominate the system noise. An adaptive modulation technique is employed to optimise the system throughput based on the received SNR. The throughput of FBMC based system reduced significantly compared to OFDM, due to laser phase noise and chromatic dispersion (CD). Additionally, it is shown that by employing frequency domain averaging technique to enhance the channel estimation (CE), the throughput of FBMC is significantly increased and consequently, a comparable performance is obtained for both waveforms. Furthermore, several coexistence scenarios for multi service transmission are studied, considering OFDM and FBMC based RATs to evaluate the impact inter band interference (IBI), due to power amplifier (PA) nonlinearity on the system performance. The low out of band (OOB) emission in FBMC plays an important role in minimising IBI to adjacent services. Therefore, FBMC requires less guardband in coexistence with multiple services in 5G fibre-wireless MFH. Conversely, OFDM introduced significant OOB to adjacent services requiring large guardband in multi-service coexistence transmission scenario. Finally, a novel transmission scheme is proposed and investigated to simultaneously generate multiple mmWave signals using laser heterodyning mmWave upconversion technique. With appropriate IF and optical frequency plan, several mmWave signals can be realised. Simulation results demonstrate successful simultaneous realisation of 28GHz, 38GHz, and 60GHz mmWave signals

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

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

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