Cooperative Radio Communications for Green Smart Environments

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

Study, Measurements and Characterisation of a 5G system using a Mobile Network Operator Testbed

The goals for 5G are aggressive. It promises to deliver enhanced end-user experience by offering new applications and services through gigabit speeds, and significantly improved performance and reliability. The enhanced mobile broadband (eMBB) 5G use case, for instance, targets peak data rates as high as 20 Gbps in the downlink (DL) and 10 Gbps in the uplink (UL). While there are different ways to improve data rates, spectrum is at the core of enabling higher mobile broadband data rates. 5G New Radio (NR) specifies new frequency bands below 6 GHz and also extends into mmWave frequencies where more contiguous bandwidth is available for sending lots of data. However, at mmWave frequencies, signals are more susceptible to impairments. Hence, extra consideration is needed to determine test approaches that provide the precision required to accurately evaluate 5G components and devices. Therefore, the aim of the thesis is to provide a deep dive into 5G technology, explore its testing and validation, and thereafter present the OTE (Hellenic Telecommunications Organisation) 5G testbed, including measurement results obtained and its characterisation based on key performance indicators (KPIs)

Cooperative Radio Communications for Green Smart Environments

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

Millimetriaaltopohjainen runkoyhteys ultratiheille langattomille verkoille - Itseasentuvien verkkoelementtien analyysi

The amount of wireless traffic and number of connected devices are expected to explode in the coming future. By the year 2020 the amount of data traffic is forecasted to grow 1000 times from 2010 levels and the amount of connected devices is expected to reach 50 billion. One reason to these numbers is massive increase in machine type communications. 5G networks have been envisioned to address these challenges. In the 5G network concept the networks are getting denser than ever before. Millimeter wave communications play an important role in backhauling of the mobile traffic as deploying optical fiber to every small node is most likely going to be too cost intensive for operators. Efficient deployment of an ultra-dense wireless network requires that the devices support so called “plug and play” installation. In practice it means that a mechanic installing a new radio node should only perform physical mounting of the device. Antenna alignment and link setup processes should be fully automated. The purpose of this thesis is to study practical issues and possible solutions of realizing the plug and play installation in a cost efficient way. This study will define scenarios and functional requirements of adding access nodes to backhaul networks. Technical evaluation of link discovery process and cost analysis on plug and play installation of access nodes are conducted.Tulevaisuudessa langattomien laitteiden määrän ja niiden generoiman liikenteen odotetaan kasvavan räjähdysmäisesti. Vuoteen 2020 mennessä verkoissa siirrettävien datamäärien on ennustettu kasvavan tuhatkertaisiksi vuoden 2010 tasosta, ja liitettyjen laitteiden määrän odotetaan nousevan 50 miljardiin. Yksi syy näihin on koneiden välisen viestinnän massiivinen kasvu. 5G-verkkoja on kaavailtu vastaamaan edellä mainittuihin haasteisiin. Osana 5G-konseptia verkkojen odotetaan rakentuvan tiheämmiksi kuin koskaan aiemmin. Millimetriaaltoihin pohjautuvat linkit tulevat olemaan merkittävässä roolissa mobiilidatan siirtämisessä radionoodeista runkoverkkoon, koska optisen kuidun rakentaminen jokaiselle pienelle noodille tulisi mitä luultavimmin operaattoreille liian kalliiksi. Ultratiheiden verkkojen tehokas rakentaminen vaatii, että asennettavat laitteet tukevan niin sanottua itseasennusta. Käytännössä se tarkoittaa sitä, että asentajan täytyy ainoastaan suorittaa radionoodin fyysinen asennus. Antenniensuuntaus- ja linkinmuodostusprosessien tulisi olla täysin automatisoituja. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia kustannustehokkaaseen itseasennukseen liittyviä käytännön ongelmia sekä mahdollisia ratkaisuita. Tutkimus määrittelee skenaariot ja funktionaaliset vaatimukset radionoodien lisäämiseksi osaksi operaattorin verkkoa. Työ sisältää linkkienmuodostusprosessin teknisen evaluoinnin, sekä kustannusanalyysin tiheiden verkkojen rakentamisesta hyödyntäen itseasennustekniikkaa

New Radio Small Cell Propagation Environment

The characterization of the wireless medium in indoor small cell networks is essential to obtain appropriate modelling of the propagation environment. This dissertation on ”MeasurementBased Characterization of the 5G New Radio Small Cell Propagation Environment” has been developed in an experimental environment. The underlying tasks are divided into three phases. The first phase took place in the laboratory of the Instituto de Telecomunicações – Covilhã, located in the Departamento de Engenharia Electromecânica of Universidade da Beira Interior. During this part of the research, spectrum measurements and the characterization of the S11 parameter (response in the first port for the signal incident in the first port) have been made experimentally through the printed circuit board antennas in the 2.6 GHz and 3.5 GHz frequency bands operating in the 2.625 GHz and 3.590 GHz center frequency, manufactured by us. The fabrication of the antennas was preceded by the simulation in the student version CST STUDIO software. In this phase, the spectrum measurements and the characterization of Smith Chart have been made to measure gain and impedance using the Rohde & Schwarz Vector Network Analyzer (VNA) from IT laboratory. Based on mathematical calculations and considerations on the conductivity and permeability of the environment, the antennas were built for use in indoor and outdoor environments. The developed antennas are characterized by their bandwidth and their radiation characteristics. The second phase took place in the three rooms adjacent to the laboratory, in which the srsLTE emulation software was applied to the 4G indoor scenario. The experimental setup includes three elements, namely a base station (BS or 4G eNodeB), which transmits the communication signal and which served as a signal source, a user equipment (UE), and an interfering eNodeB. The size of each room is 7.32 × 7.32 square meters. While room 1 is the room of interest, where theoretical and practical measurements took place, BSs that act as wireless interfering nodes are also separately considered either in room 2 or room 3. By varying the UE positions within room 1, it was possible to verify that the highest values of the received power occur close to the central BS. However, the received power does not decrease suddenly because of the reduced gain in the radiation pattern in the back part of the antenna. In addition, it was demonstrated that there is an effect of “wall loss”proven by the path loss increase between room 1 and room 2 (or between room 2 and 3). If we consider an attenuation for each wall of circa 7-9 dB the trend of the WINNER II at 2.625 GHz model for the interference coming across different walls is verified. Future work includes to investigate the 3.5 GHz frequency band. The third phase is being carried out at the facilities of the old aerodrome of Covilhã which, using a temporary license assigned to us by Instituto de Comunicações Português (ICP-ANACOM) as the two first phases. The aim of this phase is to investigate the two-slope behaviour in the UMi scenario. Very initial LTE-Advanced tests have been performed to verify the propagation of the two ray (with a reflection in the asphalt) from BS implemented with USRP B210 and srsLTE system by considering an urban cell with a length of 80 m and an interfering base station at 320 m, at 2500 - 2510 MHz (DL - Downlink) by now, mainly due to the current availability of a directional antenna in this specific band.A investigação de sinais rádio em comunicações sem fios continua a gerar considerável interesse em todo mundo, devido ao seu amplo leque de aplicações, que inclui a troca de dados entre dois ou mais dispositivos, comunicações móveis e via Wi-Fi, infravermelho, transmissão de canais de televisão, monitorização de campos, proteção e vigilância costeira e observação ambiental para exploração. A tecnologia de ondas de rádio é o um dos vários recursos que viabilizam as comunicações de alta velocidade e encurta distâncias entre dois pontos em comunicação. Na realidade, caracterização da comunicação em redes com pequenas células é essencial para obter uma modelização apropriada de ambiente de propagação. Esta dissertação sob o tema ”Measurement-Based Characterization of the 5G New Radio Small Cells Propagation Envioronment” foi desenvolvida num ambiente experimental, cujas tarefas foram divididas em fases. A primeira fase teve lugar no laboratório do Instituto de Telecomunicações da Covilhã (IT), afeto ao Departamento de Engenharia Eletromecânica. Nela foram feitas as simulações das antenas no software CST STUDIO, versão do estudante que foram utilizadas nos equipamentos durante as medições. Seguiu-se a padronização das mesmas nas faixas dos 2.6 GHz e 3.5 GHz, nas frequências centrais de 2.625 GHz e 3.590 GHZ, usando placas de circuitos impressos. Em seguida, foram feitas as medições do espectro e a caraterização do S11 e da carta de Smith para medir a impedância de entrada e o ganho. As medições foram feitas com recurso ao Vector Network Analyzer (VNA). Com base em cálculos matemáticos e considerações sobre a condutividade e permeabilidade do ambiente, as antenas foram construídas para uso em ambientes internos e externos e com ou sem interferentes. As antenas desenvolvidas são caracterizadas por sua largura de banda e suas características de radiação. A segunda fase decorreu nas três salas adjacentes ao laboratório de Telecomunicações, na qual foi montada a topologia com o sistema srsLTE associado aos USRP B210 ligados aos computadores com o sistema operativo Linux com três componentes, nomeadamente uma estação base (BS), que serviu de fonte do sinal de comunicação com um equipamento de utilizador (UE) que o recebe, e dois interferentes. Importa realçar que esta segunda fase foi dividida em duas etapas, das quais uma sem interferente para medir a potência recebida da própria estação base e outra com os interferentes mais próximo e mais afastado da sala do sinal da própria célula. O objetivo desta fase foi o de verificar o modelo de propagação do sinal de comunicação da tecnologia LTE e medir a potência recebida pelo utilizador com recurso ao Analisador de Espectro portátil FSH8 da Rohde & Schwarz capaz de medir de 10 kHz a 8 GHz, feita na frequência central de 2.625 GHz. Nas medições feitas em ambiente interior, o tamanho de cada uma das três salas é 7.32 × 7.32 metros quadrados. Embora a sala 1 seja a sala de interesse, onde ocorreram as medições teóricas e práticas, as BSs que atuam como nós interferentes também são consideradas separadamente na sala 2 ou na sala 3. Ao variar as posições de UE dentro da sala 1, foi possível verificar que os valores superiores da potência recebida ocorrem próximos à BS central. No entanto, a potência recebida não diminui repentinamente por causa do efeito do ganho reduzido no diagrama de radiação na parte traseira da antena. Além disso, foi demonstrado que existe um efeito de “atenuação da parede” comprovado pelo aumento da atenuação de trajeto entre a sala 1 e a sala 2 (ou entre a sala 2 e 3). Se considerarmos uma atenuação para cada parede de cerca de 7-9 dB, verifica-se a tendência do modelo WINNER II a 2.625 GHz para a interferência que atravessa as diversas paredes. Trabalhos futuros incluem a investigação da banda de frequência de 3.5 GHz. Já a terceira fase foi realizada nas instalações do antigo aeródromo da Covilhã, e em todas as fases servimo-nos de uma licença concedida pela Entidade Reguladora do Espectro (ICPANACOM), que permitiu realizar testes de verificação da propagação do sinal no ambiente livre na faixa de frequência dos 2.6 GHz com 2500 – 2510 MHz (UL - Uplink) e 2620 – 2630 MHz (DL - Downlink). A terceira fase ainda está a decorrer nas instalações do antigo aeródromo da Covilhã, mediante a mesma licença temporária que nos foi atribuída pelo Instituto de Comunicações de Portugal ou Autoridade Nacional de Comunicações (ICP-ANACOM) sendo esta reguladora do espectro. O objetivo é continuar a investigar o comportamento de duas inclinações no cenário UMi. Testes muito iniciais LTE-Advanced foram realizados para verificar a propagação dos dois raios (direto e refletido, com uma reflexão no asfalto) do BS implementado com o sistema USRP B210 e srsLTE, considerando uma célula urbana com um comprimento de 80 metros uma estação base interferente em 320 metros, a operar, provisoriamente, a 2500 - 2510 MHz (na ligação descendente, DL - Downlink, devido à disponibilidade de uma antena direcional específica para esta banda). Finalmente este trabalho de investigação pode ser resumidamente dividido em três categorias, nomeadamente investigação de análises teóricas e matemáticas relevantes da propagação de ondas de rádio em meios com e sem interferência significativa. Medições para verificar o comportamento do sinal de propagação da tecnologia LTE-Advanced com recursos ao analisador de espectro, simulação das antenas, fabricação e medição das características de radiação das mesmas. Assim, as antenas concebidas com bons resultados foram fabricadas nas instalações da Faculdade de Ciências no Departamento de Física da Universidade da Beira Interior, sendo de seguidas testadas e caracterizadas com o auxílio do Vector Nettwork Analyzer disponível no Laboratório de Telecomunicações do Departamento de Engenharia Eletromecânica da Universidade da Beira Interior. E, finalmente, os cálculos estatísticos que incluem o teste de normalidade de Kolmogorov-Smirnov com recurso ao software estatístico SPSS para validar os resultados obtidos seguida da construção dos gráficos no Matlab em 3D, conforme a superfície da sala