Performance Investigation of High-Speed Train OFDM Systems under the Geometry-Based Channel Model

The high-speed of train (HST) in combination with the high carrier frequency of HST systems leads to the severe inter carrier interference (ICI) in the HST orthogonal frequency division multiplexing (HST-OFDM) systems. To avoid the complexity in OFDM receiver design for ICI eliminations, the OFDM system parameters such as symbol duration, signal bandwidth, and the number of subcarriers should be chosen appropriately. This paper aims to propose a process of HST-OFDM system performance investigation to determine these parameters in order to enhance spectral efficiency and meet a given quality-of-service (QoS) level. The signal-to-­interference-­plus-­noise ratio (SINR) has been used as a figure of merit to analyze the system performance instead of signal-to-noise ratio (SNR) as most of recent research studies. Firstly, using the non-stationary geometry-based stochastic HST channel model, the SINR of each subcarrier has been derived for different speeds of the train, signal bandwidths, and number of subcarriers. Consequently, the system capacity has been formulated as the sum of all the single channel capacity from each sub-carrier. The constraints on designing HST-OFDM system parameters have been thoughtfully analyzed using the obtained expressions of SINR and capacity. Finally, by analyzing the numerical results, the system parameters can be found for the design of HST-OFDM systems under different speeds of train. The proposed process can be used to provide hints to predict performance of HST communication systems before doing further high cost implementations as hardware designs

Enhancing Mobility Applications Through Bluetooth Communications

In the world of short and medium-range wireless technologies, Bluetooth has recently come to the forefront of innovation. Within the next five years its market presence, especially in its Low Energy variation, is expected to nearly double across all market segments. The technology is quickly and steadily gaining importance for a wide range of applications with a specific focus on Internet of Things (IoT) devices. The growing availability and variety of such devices constitute an untapped potential that we plan on exploiting. Our focus in this thesis is to understand Bluetooth’s capabilities and explore its potential in mobile contexts. One specific field where this technology remains unexplored is Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs). Because of the need to implement and moderate vehicular communications, the topic of Intelligent Transportation Systems (ITSs) is now trending more than ever. In this thesis we propose two ways we can benefit from Bluetooth in a mobile environment. Firstly, we consider the technology as a communication medium to investigate how di↵erent mobilities a↵ect the link performance between two devices. To do this, we define a set of communication experiments, in our case between two vehicles, to analyse how Bluetooth Low Energy (BLE) is a↵ected by varying speed, distance and traffic conditions. We find that the maximum communication range between two devices can go beyond 100m and that a robust connection, capable of handling sudden signal losses or interference, can be achieved up to a distance of 50m. The experiments were conducted using a proof-of-concept mobile application for o↵-the-shelf smartphones that can be used to transmit data over multiple hops in various Vehicle-to-Everything (V2X) scenarios. Secondly, we consider Bluetooth discovery capabilities as an information medium by using a connectionless approach to analyse di↵erent mobility frameworks. As there is an increasing need for vehicles and objects to become aware of their context, we implement Bluetooth as a sensing system to provide contextual information about its surroundings. Our challenge is to find out to what extent we can exploit the Bluetooth discovery and beaconing scheme for this purpose. We collect and analyse a dataset of Bluetooth Classic and BLE discoveries and evaluate their respective characteristics and ability to provide context-aware information from a vehicular perspective. By examining data recorded about encountered devices, such as quantity, quality of signal and device class information, we infer distinctive Bluetooth behaviours related to context and application. For this purpose, we propose a set a features to train a classification model to recognize di↵erent driving environments (i.e. road classes). Investigating the performance of our classifier, we were able to predict up to three classes (highway, city, extra-urban) by using only Bluetooth discovery data and no geographical information. This outcome gives promising results targeted at low energy and privacy-friendly applications and can open up a wide range of research directions. In conclusion, in this thesis we present two ways of applying Bluetooth to mobile contexts for deploying novel human mobility applications

Design and evaluation of OFDM radio interfaces for high mobility communications

[Resumo] Nas dúas últimas décadas, as modulacións multiportadora emerxeron como una solución de baixa complexidade para combatir os efectos do multitraxecto en comuniacións sen fíos. Entre elas, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFOM) é posiblemente o esquema de modulación máis estudado, e tamén amplamente adoptado como alicerce de estándares da industria como WiMAX ou LTE. Sen embargo, OFDM é sensible a canles que varian ca tempo, unha característica dos escenarios con mobilidade, debido á aparición da interferencia entre portadoras (ICI). A implementación de equipamento hardware para o usuario final faise normalmente en chips dedicados, afnda que entornos de investigación, prefírense solucións máis flexibles. Unha aproximación popular é a coñecida como Software Defined Radio (SOR), onde os algoritmos de procesado de sinal se implementan en hardware reconfigurable como Digital Signal Processors (OSPs) e Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). O obxectivo deste traballo é dobre. Por un lado, definir unha arquitectura para implementacións de tempo real de capas físicas basadas en OFDM usando como referencia O estándar WiMAX, probada Dunha plataforma composta por OSPs e FPGAs. Por outra banda, estudar os efectos da selectividade en tempo no sinal OFDM, definindo métodos de estimación de canle que teñen en conta a ICI, e evaluándoos tanto en simulación como con medidas experimentais. Seguíronse dúas aproximacións para caracterizar o comportamento de formas de onda OFDM baixo condicións de mobilidade, unha basada nun emulador de canle que traballa en tempo real, e outra en inducir grandes ensanchamentos Doppler no sinal mediante a extensión da duración do símbolo OFOM.[Resumen] En las dos últimas décadas, las modulaciones multiportadora han emergido como una solución de baja complejidad para combatir los efectos del multitrayecto en comunicaciones iDalámbricas. Entre ellas, Orthogonal Frequency Division Mulriplexing (OFDM) es posiblemente el esquema de modulación más estudiado, y también ampliamente adoptado como fundamento de estándares de la industria como WiMAX o LTE. Sin embargo, OFDM es sensible a canales que varían con el tiempo, una característica de los escenarios coo movilidad, debido a la aparicióo de la interferencia entre portadoras (ICI). La implementación de equipamiento hardware para el usuario final se hace normalmente en chips dedicados, aunque eo entornos de investigación, son preferibles soluciones más Hexibles. Una aproximación popular es la conocida como Software Defined Radio (SDR), donde los algOritmos de procesado de señal se implementan en hardware reconfigurable como Digital Signa! Processors (DSPs) y Field Programmable Gate AIrays (FPGAs). El objetivo de este trabajo es doble. Por un lado. definir una arquitectura para implementaciones de tiempo real de capas ¡lSicas basadas en OFDM usando como referencia el estándar WiMAX, probada en una plataforma compuesta por DSPs y FPGAs. Por otro lado, estudiar los efectos de la selectividad en tiempo en la señal OFDM, definiendo métodos de estimacióo de canal que tengan eo cueota la ICI, y evaluándolos tanto en simulación como con medidas experimenta1es. Se han seguido dos aproximaciones para caracterizar el comportamiento de formas de onda OFDM bajo condiciones de mobilidad, una basada en un emulador de canal que trabaja en tiempo real. y otra en inducir grandes ensanchamientos Doppler en la señal mediante la extensión de la duración del símbolo OFDM.[Abstract] In Ihe last two decades, multicarrier modulations have emerged as a low complexity solulion to combal the effects of Ihe multipalh in wireless communicalions. Among Ihem, Orthogonal Frequency Division Mulliplexing (OFOM) is possibly Ihe mosl sludied modulation scheme, and has a1so been widely adopted as Ihe foundation of induslry standards such as WiMAX or LTE. However, OFOM is sensitive lo time selective channels, which are featured in mobility scenarlos, due lO Ihe appearance of Inler-Carrier Interference (ICI). Implemenlation of hardware equipmenl for Ihe end user is usually implemenled in dedicaled chips, bul in researeh environments, more flexible solutions are preferred. One popular approach is the so ealled Software Defined Radio (SOR), where the signal processing a1gorithms are implemented in reconfigurable hardware sueh as Digital Signal Processors (DSPs) and Field Prograrnmable Gate Arrays (FPGAs). The aim of Ibis work is two-fold. On the one hand, to define an architeclure for Ihe implementation of real-time OFOM-based physical layers, using as a reference Ihe WiMAX standard, and it is tested on a platform composed by DSPs and FPGAs. On the olher hand, to study Ihe effeets of !he time seleetivity on !he OFOM signal, defining channel estimation me!hods aware of !he ICI, and ils evaluation bo!h in simulation as well as experimental measuremenls. Two approaches have been followed to assess the behavior of OFOM waveforms under mobility conditions, one based on a real-time channel emulator, and the other on inducing large Doppler spreads in !he signal by extending the duration of Ihe OFDM symbols

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