Cognitive Radio Connectivity for Railway Transportation Networks

Reliable wireless networks for high speed trains require a significant amount of data communications for enabling safety features such as train collision avoidance and railway management. Cognitive radio integrates heterogeneous wireless networks that will be deployed in order to achieve intelligent communications in future railway systems. One of the primary technical challenges in achieving reliable communications for railways is the handling of high mobility environments involving trains, which includes significant Doppler shifts in the transmission as well as severe fading scenarios that makes it difficult to estimate wireless spectrum utilization. This thesis has two primary contributions: (1) The creation of a Heterogeneous Cooperative Spectrum Sensing (CSS) prototype system, and (2) the derivation of a Long Term Evolution for Railways (LTE-R) system performance analysis. The Heterogeneous CSS prototype system was implemented using Software-Defined Radios (SDRs) possessing different radio configurations. Both soft and hard-data fusion schemes were used in order to compare the signal source detection performance in real-time fading scenarios. For future smart railways, one proposed solution for enabling greater connectivity is to access underutilized spectrum as a secondary user via the dynamic spectrum access (DSA) paradigm. Since it will be challenging to obtain an accurate estimate of incumbent users via a single-sensor system within a real-world fading environment, the proposed cooperative spectrum sensing approach is employed instead since it can mitigate the effects of multipath and shadowing by utilizing the spatial and temporal diversity of a multiple radio network. Regarding the LTE-R contribution of this thesis, the performance analysis of high speed trains (HSTs) in tunnel environments would provide valuable insights with respect to the smart railway systems operating in high mobility scenarios in drastically impaired channels

Bit error rate estimation in WiMAX communications at vehicular speeds using Nakagami-m fading model

The wireless communication industry has experienced a rapid technological evolution from its basic first generation (1G) wireless systems to the latest fourth generation (4G) wireless broadband systems. Wireless broadband systems are becoming increasingly popular with consumers and the technological strength of 4G has played a major role behind the success of wireless broadband systems. The IEEE 802.16m standard of the Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) has been accepted as a 4G standard by the Institute of Electrical and Electronics Engineers in 2011. The IEEE 802.16m is fully optimised for wireless communications in fixed environments and can deliver very high throughput and excellent quality of service. In mobile communication environments however, WiMAX consumers experience a graceful degradation of service as a direct function of vehicular speeds. At high vehicular speeds, the throughput drops in WiMAX systems and unless proactive measures such as forward error control and packet size optimisation are adopted and properly adjusted, many applications cannot be facilitated at high vehicular speeds in WiMAX communications. For any proactive measure, bit error rate estimation as a function of vehicular speed, serves as a useful tool. In this thesis, we present an analytical model for bit error rate estimation in WiMAX communications using the Nakagami-m fading model. We also show, through an analysis of the data collected from a practical WiMAX system, that the Nakagami-m model can be made adaptive as a function of speed, to represent fading in fixed environments as well as mobile environments

Diseño y evaluación de nuevas formas e onda para comunicaciones de alta movilidad

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e Comunicación en Redes Móbiles. 553V01[Resumo] Os servizos multimedia e de datos experimentaron un crecemento continuo nos últimos anos e espérase que crezan aínda máis nos anos seguintes. A xente está a usar cada vez máis os seus dispositivos móbiles para acceder a servizos baseados en datos para fins relacionados co traballo, entretemento ou socialización en liña. Ademais, as comunicacións masivas de tipo máquina tamén están en ascenso (por exemplo, as comunicacións en transporte e loxística, sensores, Internet das cousas, etc.), e serán moi importantes para a nova xeración de sistemas de comunicacións sen fíos. Para afrontar o aumento esperado no uso de servizos multimedia e baseado en datos, así como para soportar novos casos de uso que hoxe non son posibles, unha nova xeración de redes sen fíos é necesaria. Para iso, espérase que os sistemas de comunicación sen fíos 5G traian as melloras necesarias: maiores taxas de datos, baixas latencias, mellor eficiencia enerxética, alta fiabilidade, etc. O coñecemento das características da canle sen fíos é fundamental para a planificación das redes de comunicación sen fíos e o deseño de transceptores. Como primeiro paso, centramos este traballo na caracterización completa da canle para diferentes escenarios, como son os trens de alta velocidade, metro e comunicacións vehículo a infraestrutura en estradas. A canle caracterizouse mediante a avaliación da relación sinal a ruído, a perda de traxecto (path loss) e os chamados parámetros condensados da canle (por exemplo, o factor K, o perfil potencia-retardo (power delay profile) e a densidade espectral de potencia Doppler. Ademais, para a nova interface aérea das redes 5G, unha das principais cuestións foi a forma de onda a usar. Finalmente, o 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decidiu usar a tecnoloxía de multiplexación por división de frecuencias ortogonais (OFDM polas súas siglas en inglés). Isto semella unha elección natural debido ás moitas vantaxes de OFDM e que tamén é a técnica de modulación empregada nas redes 4G. Con todo, nos últimos anos, esquemas multiportadora baseados en bancos de filtros (FBMC polas súas siglas en inglés) recibiron unha grande atención como alternativa a OFDM debido ás súas vantaxes: non utilizan un prefixo cíclico (proporcionan unha maior eficiencia espectral), os usuarios non precisan ser sincronizados no enlace ascendente, e un mellor rendemento teórico en contornas de alta velocidade debido a unha menor interferencia entre portadoras. Neste traballo comparamos experimentalmente o rendemento de FBMC e OFDM en contornas de alta velocidade. Tamén analizamos o rendemento de FBMC e OFDM no caso de uso práctico dun vehículo aéreo lixeiro pilotado remotamente. A maior parte do traballo realizado nesta tese requiriu o deseño e desenvolvemento do chamado GTEC 5G Simulator, que foi usado en conxunto co GTEC Testbed para realizar a maior parte das campañas de medicións e avaliacións de rendemento mediante transmisións polo aire.[Resumen] Los servicios multimedia y basados en datos experimentaron un crecimiento sin interrupciones en los últimos años, y se espera que crezcan aún más en los años siguientes. Las personas utilizan cada vez más sus dispositivos móviles para acceder a los servicios basados en datos con fines relacionados con el trabajo, el entretenimiento o la socialización en línea. Además, las comunicaciones masivas de tipo máquina también están en aumento (por ejemplo, comunicaciones en transporte y logística, sensores, Internet de las cosas, etc.) y serán muy importantes para la nueva generación de sistemas de comunicaciones inalámbricos. Para hacer frente al aumento esperado en el uso de servicios multimedia y basados en datos, así como para soportar nuevos casos de uso que no son posibles hoy en día, se requiere una nueva generación de sistemas inalámbricos. Para esto, se espera que los sistemas de comunicación inalámbrica 5G aporten las mejoras necesarias: mayores tasas de datos, menores latencias, mejor eficiencia energética, alta fiabilidad, etc. El conocimiento de las características del canal inalámbrico es fundamental para la planificación de redes de comunicación inalámbricas y el diseño de transceptores. Como primer paso, centramos este trabajo en la caracterización completa del canal para diferentes escenarios, tales como trenes de alta velocidad, metro y comunicaciones vehículo a infraestructura en carreteras. El canal se caracterizó por medio de la evaluación de la relación señal a ruido, la pérdida de trayecto (path loss) y los llamados parámetros condensados de canal (por ejemplo, el factor K, el perfil potencia-retardo (power delay profile) y la densidad espectral de potencia Doppler). Además, para la nueva interfaz aérea de las redes 5G, una de las preguntas principales ha sido la forma de onda a usar. Finalmente, el 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decidió usar la tecnología de multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM por sus siglas en inglés). Esta es una elección lógica, debido a las muchas ventajas exhibidas por OFDM y dado que también es la técnica de modulación empleada en las redes 4G. Sin embargo, en los últimos años, los esquemas multiportadora basados en bancos de filtros (FBMC por sus siglas en inglés) han recibido una gran atención como una alternativa a OFDM debido a sus ventajas: no usan un prefijo cíclico (lo que proporciona una mayor eficiencia espectral), los usuarios no necesitan sincronizarse en el enlace ascendente, y un mejor rendimiento teórico en escenarios de alta velocidad debido a una menor interferencia entre subportadoras. En este trabajo comparamos experimentalmente el rendimiento de FBMC y OFDM en entornos de alta velocidad. También analizamos el rendimiento de FBMC y OFDM en el caso de uso práctico de un vehículo aéreo ligero tripulado remotamente. La mayor parte del trabajo llevado a cabo en esta tesis requirió el diseño y desarrollo del denominado GTEC 5G Simulator, que se utilizó junto con el GTEC Testbed para realizar la mayoría de las campañas de medidas y evaluaciones de rendimiento por medio de transmisiones por aire.[Abstract] Multimedia and data-based services experienced a non-stopping growth over the last few years and are expected to grow even more in the following years. People are using more and more their mobile devices to access data-based services for work-related purposes, entertainment or online socialization. Moreover, massive machine-type communications are also on the rise (e.g., transport and logistics communications, sensors, Internet of Things, etc.), and will be very important for the new generation of wireless communication systems. To cope with the expected increase in the usage of multimedia and data-based services, as well as to support new use cases which are not possible today, a new generation of wireless systems is required. For this, 5G wireless communication systems are expected to bring the necessary improvements: higher data rates, lower latencies, better energy efficiency, high reliability, etc. Knowledge of the wireless channel characteristics is fundamental for the planning of wireless communication networks and transceivers design. As a first step, this work centered in the channel characterization for different scenarios such as high-speed trains, subways, and vehicle-to-infrastructure in roads. The channel was characterized by means of assessing the signal-to-noise ratio, the path loss, and the so-called channel condensed parameters (e.g., the K-factor, the power delay profile, and the Doppler power spectral density). Moreover, for the new air interface of 5G networks, one of the main questions was the waveform to be used. Finally, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) decided to use orthogonal frequencydivision multiplexing (OFDM). This seems a natural choice due to the many advantages exhibited by OFDM and it is also the modulation technique employed by 4G networks. However, over the last few years, schemes based on filter bank multicarrier (FBMC) using quadrature amplitude modulation have received a great attention as an alternative to OFDM due to their advantages: they do not use a cyclic prefix (thus providing a higher bandwidth efficiency), users do not need to be synchronized in the uplink, and they achieve a theoretical better performance in high-speed scenarios due to a lower inter-carrier interference. In this work, we have experimentally compared the performance of FBMC versus OFDM in high-speed scenarios. We have also analyzed the performance of FBMC versus OFDM in the practical use case of a lightweight remotely piloted aircraft. The majority of the work carried out in this thesis required the design and development of the so-called GTEC 5G Simulator, which was used in conjunction with the GTEC Testbed to perform most of the measurement campaigns and performance evaluations by means of over-the-air transmissions

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

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

Performance investigation of spatial modulation systems under realistic channel models

In order to fulfil the explosive demand for convenient wireless data access, novel wireless technologies such as the multiple-input-multiple-output (MIMO) have widely been used to improve the link reliability and capacity of wireless communication systems. In recent years, a new MIMO technology named the spatial modulation (SM) has attracted signi cant research interest due to its reported enhancement on the system performance with the reasonable system complexity. Before a new technology comes into real use, it is necessary to comprehensively evaluate its performance under different scenarios. In this thesis, we investigate the performance of SM systems under some important realistic scenarios for future wireless communications, such as the vehicle-to-vehicle (V2V), the high-speed train (HST), and the massive MIMO scenarios. Firstly, the bit error rate (BER) performance of SM systems under a novel threedimensional (3D) geometry based stochastic model (GBSM) for V2V MIMO channels is investigated by both theoretical analysis and system simulations. The impacts of vehicle tra c density (VTD), Doppler effect, and 3D feature on the BER performance of SM systems are thoroughly studied. In addition, other MIMO technologies, such as the vertical Bell Labs layered space-time (V-BLAST), the Alamouti scheme are compared with SM under different simulation settings. Secondly, the BER performance of SM systems is studied under a non-stationary wideband HST GBSM considering the non-ideal channel estimation case. The timevarying behaviour of the channel and its impact on the performance of SM systems are comprehensively investigated. The accurate theoretical BER expression of SM systems under a non-stationary wideband HST channels with non-ideal channel estimation is derived. A novel statistic property named stationary interval in terms of the space-time correlation function (STCF) is introduced in order to clearly explain all theoretical and simulation results. Thirdly, the performance of SM systems is evaluated under a Kroneck-based massive MIMO channel model. As a massive MIMO system employs large numbers of antennas, antenna elements are distributed over a wide range. Thus, different antenna elements may observe different sets of clusters. How this phenomenon affects the performance of SM systems is investigated by considering a survival probability of clusters, which abstracts the birth-death process of each cluster in the channel model. Moreover, the performance of SM systems is also compared with that of other MIMO technologies under the massive MIMO channel model. In summary, all research works in this thesis have considered realistic MIMO channel models, which are meaningful for the test, performance evaluation, and implementation of SM technology for future advanced wireless communications systems