Mobility management in 5G for high-speed trains

High-speed trains (HST) are nowadays more present in our lives currently, some of them can reach speeds up to 500 km/h and futuristic concepts such as hyperloop tunnels could make trains travel at speeds up to 1000 km/h. Dealing with such high speeds arises many communication problems, for example, in mobility management, with many handovers or high Doppler frequency shifts. You might be thinking how it is possible to provide a good QoS to the users inside the train, when traveling at such elevated velocities. In the thesis, we rely on the development of 5G New Radio and the benefits associated, such as a new handover protocol introduced by 3GPP called conditional handover (CHO). By simulating with Simu5G a HST scenario we have proved that CHO can provide a better service to the users by improving the SINR levels and being more efficient than common handover.Los trenes de alta velocidad están cada vez más presentes en nuestro día a día, algunos ya alcanzan velocidades de 500 km/h, mientras que otros conceptos futuristas como los túneles hyperloop podrían hacer que alcanzaran velocidades de hasta 1000 km/h. En el ámbito de las telecomunicaciones, trabajar a tan altas velocidades conlleva algunos problemas, como por ejemplo un elevado número de handovers. Seguramente, os estéis preguntando cómo es posible establecer un servicio que cumpla unos mínimos de calidad para el usuario, cuando este viaja a tan altas velocidades. Para ello, nos hemos apoyado en la tecnología 5G i un nuevo concepto de handover llamado conditional handover (CHO), introducido por el 3GPP. A través del simulador Simu5G, hemos conseguido demostrar que el CHO no solo es un protocolo más eficiente, sino que además conlleva una mejora en los niveles de SINR, en condiciones parecidas a las de un tren de alta velocidad.Els trens d'alta velocitat estan cada vegada més presents en el nostre dia a dia, alguns ja son capaços d'arribar a velocitats pròximes als 500 km/h, mentre que altres conceptes futuristes com els túnels hyperloop podrien fer que els trens arribessin a velocitats de 1000 km/h. En l'àmbit de les comunicacions, treballar amb velocitats tan elevades comporta alguns problemes, com per exemple un ampli número de handovers. Segurament, estareu pensant com es possible establir un servei que compleixi uns mínims de qualitat de cara a l'usuari, al estar treballant amb velocitats tant elevades. Per fer-ho ens hem recolzat en la tecnologia 5G i un nou concepte de handover presentat pel 3GPP, el conditional handover (CHO). Simulant a través de Simu5G un escenari similar al d'un tren d'alta velocitat, hem pogut demostrar que el CHO no es només un protocol més eficient que el handover normal, sinó que a més a més millora els nivells de SINR

Cooperative and coordinated Mobile Femtocells technology in high-speed vehicular environments: mobility and interference management

In future networks, most users who will be accessing wireless broadband will be vehicular. Serving those users cost-effectively and improving their signal quality has been the main concern of many studies. Thus, the deployment of Mobile Femtocell (Mobile-Femto) technology on public transportation is seen to be one of the promising solutions. Mobile-Femto comes with its mobility and interference challenges. Therefore, eliminating the Vehicular Penetration Loss (VPL) and interference while improving signal quality and mobility for train passengers is the main concern of this paper. The initial system-level evaluation showed that the dedicated Mobile-Femto deployment has great potential in improving users’ experience inside public transportation. The Downlink (DL) results of the Proposed Interference Management Scheme (PIMS) showed significant improvement in Mobile-Femto User Equipment (UE) gains (up to 50%) without impacting the performance of macro UEs. In contrast, the Uplink (UL) results showed noticeable gains for both macro UEs and Mobile-Femto UEs

Future Trends and Challenges for Mobile and Convergent Networks

Some traffic characteristics like real-time, location-based, and community-inspired, as well as the exponential increase on the data traffic in mobile networks, are challenging the academia and standardization communities to manage these networks in completely novel and intelligent ways, otherwise, current network infrastructures can not offer a connection service with an acceptable quality for both emergent traffic demand and application requisites. In this way, a very relevant research problem that needs to be addressed is how a heterogeneous wireless access infrastructure should be controlled to offer a network access with a proper level of quality for diverse flows ending at multi-mode devices in mobile scenarios. The current chapter reviews recent research and standardization work developed under the most used wireless access technologies and mobile access proposals. It comprehensively outlines the impact on the deployment of those technologies in future networking environments, not only on the network performance but also in how the most important requirements of several relevant players, such as, content providers, network operators, and users/terminals can be addressed. Finally, the chapter concludes referring the most notable aspects in how the environment of future networks are expected to evolve like technology convergence, service convergence, terminal convergence, market convergence, environmental awareness, energy-efficiency, self-organized and intelligent infrastructure, as well as the most important functional requisites to be addressed through that infrastructure such as flow mobility, data offloading, load balancing and vertical multihoming.Comment: In book 4G & Beyond: The Convergence of Networks, Devices and Services, Nova Science Publishers, 201

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

Assessment and Real Time Implementation of Wireless Communications Systems and Applications in Transportation Systems

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e das Comunicacións en Redes Móbiles. 5029V01[Resumo] Os sistemas de comunicación sen fíos de cuarta e quinta xeración (4G e 5G) utilizan unha capa física (PHY) baseada en modulacións multiportadora para a transmisión de datos cun gran ancho de banda. Este tipo de modulacións proporcionan unha alta eficiencia espectral á vez que permiten corrixir de forma sinxela os efectos da canle radio. Estes sistemas utilizan OFDMA como mecanismo para a repartición dos recursos radio dispoñibles entre os diferentes usuarios. Este repartimento realízase asignando un subconxunto de subportadoras a cada usuario nun instante de tempo determinado. Isto aporta unha gran flexibilidade ó sistema que lle permite adaptarse tanto ós requisitos de calidade de servizo dos usuarios como ó estado da canle radio. A capa de acceso ó medio (MAC) destes sistemas encárgase de configurar os diversos parámetros proporcionados pola capa física OFDMA, ademais de xestionar os diversos fluxos de información de cada usuario, transformando os paquetes de capas superiores en paquetes da capa física. Neste traballo estúdase o deseño e implementación das capas MAC e PHY de sistemas de comunicación 4G ademais da súa aplicabilidade en sistemas de transporte ferroviarios. Por unha parte, abórdase o deseño e implementación en tempo real do estándar WiMAX. Estúdanse os mecanismos necesarios para establecer comunicacións bidireccionais entre unha estación base e múltiples dispositivos móbiles. Ademais, estúdase como realizar esta implementación nunha arquitectura hardware baseada en DSPs e FPGAs, na que se implementan as capas MAC e PHY. Dado que esta arquitectura ten uns recursos computacionais limitados, tamén se estudan as necesidades de cada módulo do sistema para poder garantir o funcionamento en tempo real do sistema completo. Por outra parte, tamén se estuda a aplicabilidade dos sistemas 4G a sistemas de transporte públicos. Os sistemas de comunicacións e sinalización son unha parte vital para os sistemas de transporte ferroviario e metro. As comunicacións sen fíos utilizadas por estes sistemas deben ser robustas e proporcionar unha alta fiabilidade para permitir a supervisión, control e seguridade do tráfico ferroviario. Para levar a cabo esta avaliación de viabilidade realízanse simulacións de redes de comunicacións LTE en contornos de transporte ferroviarios, comprobando o cumprimento dos requisitos de fiabilidade e seguridade. Realízanse diferentes simulacións do sistema de comunicacións para poder ser avaliadas e seleccionar a configuración e arquitectura do sistema máis axeitada en función do escenario considerado. Tamén se efectúan simulacións de redes baseadas en Wi-Fi, dado que é a solución máis utilizada nos metros, para confrontar os resultados cos obtidos para LTE. Para que os resultados das simulacións sexan realistas débense empregar modelos de propagación radio axeitados. Nas simulacións utilízanse tanto modelos deterministas como modelos baseados nos resultados de campañas de medida realizadas nestes escenarios. Nas simulacións empréganse os diferentes fluxos de información destes escenarios para comprobar que se cumpren os requisitos de calidade de servicio (QoS). Por exemplo, os fluxos críticos para o control ferroviario, como European Train Control System (ETCS) ou Communication-Based Train Control (CBTC), necesitan unha alta fiabilidade e un retardo mínimo nas comunicacións para garantir o correcto funcionamento do sistema.[Resumen] Los sistemas de comunicación inalámbricos de cuarta y quinta generación (4G y 5G) utilizan una capa física (PHY) basada en modulaciones multiportadora para la transmisión de datos con un gran ancho de banda. Este tipo de modulaciones han demostrado tener una alta eficiencia espectral a la vez que permiten corregir de forma sencilla los efectos del canal radio. Estos sistemas utilizan OFDMA como mecanismo para el reparto de los recursos radio disponibles entre los diferentes usuarios. Este reparto se realiza asignando un subconjunto de subportadoras a cada usuario en un instante de tiempo determinado. Esto aporta una gran flexibilidad al sistema que le permite adaptarse tanto a los requisitos de calidad de servicio de los usuarios como al estado del canal radio. La capa de acceso al medio (MAC) de estos sistemas se encarga de configurar los diversos parámetros proporcionados por la capa física OFDMA, además de gestionar los diversos flujos de información de cada usuario, transformando los paquetes de capas superiores en paquetes de la capa física. En este trabajo se estudia el diseño e implementación de las capas MAC y PHY de sistemas de comunicación 4G además de su aplicabilidad en sistemas de transporte ferroviarios. Por una parte, se aborda el diseño e implementación en tiempo real del estándar WiMAX. Se estudian los mecanismos necesarios para establecer comunicaciones bidireccionales entre una estación base y múltiples dispositivos móviles. Además, se estudia cómo realizar esta implementación en una arquitectura hardware basada en DSPs y FPGAs, en la que se implementan las capas MAC y PHY. Dado que esta arquitectura tiene unos recursos computacionales limitados, también se estudian las necesidades de cada módulo del sistema para poder garantizar el funcionamiento en tiempo real del sistema completo. Por otra parte, también se estudia la aplicabilidad de los sistemas 4G a sistemas de transporte públicos. Los sistemas de comunicaciones y señalización son una parte vital para los sistemas de transporte ferroviario y metro. Las comunicaciones inalámbricas utilizadas por estos sistemas deben ser robustas y proporcionar una alta fiabilidad para permitir la supervisión, control y seguridad del tráfico ferroviario. Para llevar a cabo esta evaluación de viabilidad se realizan simulaciones de redes de comunicaciones LTE en entornos de transporte ferroviarios, comprobando si se cumplen los requisitos de fiabilidad y seguridad. Se realizan diferentes simulaciones del sistema de comunicaciones para poder ser evaluados y seleccionar la configuración y arquitectura del sistema más adecuada en función del escenario planteado. También se efectúan simulaciones de redes basadas en Wi-Fi, dado que es la solución más utilizada en los metros, para comparar los resultados con los obtenidos para LTE. Para que los resultados de las simulaciones sean realistas se deben utilizar modelos de propagación radio apropiados. En las simulaciones se utilizan tanto modelos deterministas como modelos basados en los resultados de campañas de medida realizadas en estos escenarios. En las simulaciones se utilizan los diferentes flujos de información de estos escenarios para comprobar que se cumplen sus requisitos de calidad de servicio. Por ejemplo, los flujos críticos para el control ferroviario, como European Train Control System (ETCS) o Communication-Based Train Control (CBTC), necesitan una alta fiabilidad y un retardo bajo en las comunicaciones para garantizar el correcto funcionamiento del sistema.[Abstract] The fourth and fifth generation wireless communication systems (4G and 5G) use a physical layer (PHY) based on multicarrier modulations for data transmission using high bandwidth. This type of modulations has shown to provide high spectral efficiency while allowing low complexity radio channel equalization. These systems use OFDMA as a mechanism for distributing the available radio resources among different users. This allocation is done by assigning a subset of subcarriers to each user in a given instant of time. This provides great flexibility to the system that allows it to adapt to both the quality of service requirements of users and the radio channel state. The media access layer (MAC) of these systems is in charge of configuring the multiple OFDMA PHY layer parameters, in addition to managing the data flows of each user, transforming the higher layer packets into PHY layer packets. This work studies the design and implementation of MAC and PHY layers of 4G communication systems as well as their applicability in rail transport systems. On the one hand, the design and implementation in real time of the WiMAX standard is addressed. The required mechanisms to establish bidirectional communications between a base station and several mobile devices are also evaluated. Moreover, a MAC layer and PHY layer implementation is presented, using a hardware architecture based in DSPs and FPGAs. Since this architecture has limited computational resources, the requirements of each processing block of the system are also studied in order to guarantee the real time operation of the complete system. On the other hand, the applicability of 4G systems to public transportation systems is also studied. Communications and signaling systems are a vital part of rail and metro transport systems. The wireless communications used by these systems must be robust and provide high reliability to enable the supervision, control and safety of rail traffic. To carry out this feasibility assessment, LTE communications network simulations are performed in rail transport environments to verify that reliability and safety requirements are met. Several simulations are carried out in order to evaluate the system performance and select the most appropriate system configuration in each case. Simulations of Wi-Fi based networks are also carried out, since it is the most used solution in subways, to compare the results with those obtained for LTE. To perform the simulations correctly, appropriate radio propagation models must be used. Both deterministic models and models based on the results of measurement campaigns in these scenarios are used in the simulations. The simulations use the different information flows present in the railway transportation systems to verify that its quality of service requirements are met. For example, critical flows for railway control, such as the European Train Control System (ETCS) or Communication-Based Train Control (CBTC), require high reliability and low delay communications to ensure the proper functioning of the system

A Survey of Wireless Communication Technologies & Their Performance for High Speed Railways

High Speed Railway (HSR) provides its customers not only safety, security, comfort and on-time commuting, but also a fast transportation alternative to air travel or regular passenger rail services. Providing these benefits would not be possible without the tremendous growth and prevalence of wireless communication technologies. Due to advances in wireless communication systems, both trains and passengers are connected through high speed wireless networks to the Internet, data centers and railroad control centers. Railroad communities, academia, related industries and standards bodies, even the European Space Agency, are involved in advancing developments of HSR for highly connected train communication systems. The goal of these efforts is to provide the capabilities for uninterrupted high-speed fault-tolerant communication networks for all possible geographic, structural and weather conditions. This survey provides an overview of the current state-of-the-art and future trends for wireless technologies aiming to realize the concept of HSR communication services. Our goal is to highlight the challenges for these technologies, including GSM-R, Wi-Fi, WIMAX, LTE-R, RoF, LCX & Cognitive Radio, the offered solutions, their performance, and other related issues. Currently, providing HSR services is the goal of many countries across the globe. Europe, Japan & Taiwan, China, as well as North & South America have increased their efforts to advance HSR technologies to monitor and control not only the operations but also to deliver extensive broadband solutions to passengers. This survey determined a trend of the industry to transition control plane operations towards narrowband frequencies, i.e. LTE400/700, and to utilize concurrently other technologies for broadband access for passengers such that services of both user and train control systems are supported. With traditional technologies, a tradeoff was required and often favored train control services over passenger amenities. However, with the advances in communication systems, such as LTE-R and cognitive radios, it is becoming possible for system designers to offer rich services to passengers while also providing support for enhanced train control operations such as Positive Train Control