Initial Access in 5G mm-Wave Cellular Networks

The massive amounts of bandwidth available at millimeter-wave frequencies (roughly above 10 GHz) have the potential to greatly increase the capacity of fifth generation cellular wireless systems. However, to overcome the high isotropic pathloss experienced at these frequencies, high directionality will be required at both the base station and the mobile user equipment to establish sufficient link budget in wide area networks. This reliance on directionality has important implications for control layer procedures. Initial access in particular can be significantly delayed due to the need for the base station and the user to find the proper alignment for directional transmission and reception. This paper provides a survey of several recently proposed techniques for this purpose. A coverage and delay analysis is performed to compare various techniques including exhaustive and iterative search, and Context Information based algorithms. We show that the best strategy depends on the target SNR regime, and provide guidelines to characterize the optimal choice as a function of the system parameters.Comment: 6 pages, 3 figures, 3 tables, 15 references, submitted to IEEE COMMAG 201

Survey of Inter-satellite Communication for Small Satellite Systems: Physical Layer to Network Layer View

Small satellite systems enable whole new class of missions for navigation, communications, remote sensing and scientific research for both civilian and military purposes. As individual spacecraft are limited by the size, mass and power constraints, mass-produced small satellites in large constellations or clusters could be useful in many science missions such as gravity mapping, tracking of forest fires, finding water resources, etc. Constellation of satellites provide improved spatial and temporal resolution of the target. Small satellite constellations contribute innovative applications by replacing a single asset with several very capable spacecraft which opens the door to new applications. With increasing levels of autonomy, there will be a need for remote communication networks to enable communication between spacecraft. These space based networks will need to configure and maintain dynamic routes, manage intermediate nodes, and reconfigure themselves to achieve mission objectives. Hence, inter-satellite communication is a key aspect when satellites fly in formation. In this paper, we present the various researches being conducted in the small satellite community for implementing inter-satellite communications based on the Open System Interconnection (OSI) model. This paper also reviews the various design parameters applicable to the first three layers of the OSI model, i.e., physical, data link and network layer. Based on the survey, we also present a comprehensive list of design parameters useful for achieving inter-satellite communications for multiple small satellite missions. Specific topics include proposed solutions for some of the challenges faced by small satellite systems, enabling operations using a network of small satellites, and some examples of small satellite missions involving formation flying aspects.Comment: 51 pages, 21 Figures, 11 Tables, accepted in IEEE Communications Surveys and Tutorial

Design and Realization of Fully-digital Microwave and Mm-wave Multi-beam Arrays with FPGA/RF-SOC Signal Processing

There has been a constant increase in data-traffic and device-connections in mobile wireless communications, which led the fifth generation (5G) implementations to exploit mm-wave bands at 24/28 GHz. The next-generation wireless access point (6G and beyond) will need to adopt large-scale transceiver arrays with a combination of multi-input-multi-output (MIMO) theory and fully digital multi-beam beamforming. The resulting high gain array factors will overcome the high path losses at mm-wave bands, and the simultaneous multi-beams will exploit the multi-directional channels due to multi-path effects and improve the signal-to-noise ratio. Such access points will be based on electronic systems which heavily depend on the integration of RF electronics with digital signal processing performed in Field programmable gate arrays (FPGA)/ RF-system-on-chip (SoC). This dissertation is directed towards the investigation and realization of fully-digital phased arrays that can produce wideband simultaneous multi-beams with FPGA or RF-SoC digital back-ends. The first proposed approach is a spatial bandpass (SBP) IIR filter-based beamformer, and is based on the concepts of space-time network resonance. A 2.4 GHz, 16-element array receiver, has been built for real-time experimental verification of this approach. The second and third approaches are respectively based on Discrete Fourier Transform (DFT) theory, and a lens plus focal planar array theory. Lens based approach is essentially an analog model of DFT. These two approaches are verified for a 28 GHz 800 MHz mm-wave implementation with RF-SoC as the digital back-end. It has been shown that for all proposed multibeam beamformer implementations, the measured beams are well aligned with those of the simulated. The proposed approaches differ in terms of their architectures, hardware complexity and costs, which will be discussed as this dissertation opens up. This dissertation also presents an application of multi-beam approaches for RF directional sensing applications to explore white spaces within the spatio-temporal spectral regions. A real-time directional sensing system is proposed to capture the white spaces within the 2.4 GHz Wi-Fi band. Further, this dissertation investigates the effect of electro-magnetic (EM) mutual coupling in antenna arrays on the real-time performance of fully-digital transceivers. Different algorithms are proposed to uncouple the mutual coupling in digital domain. The first one is based on finding the MC transfer function from the measured S-parameters of the antenna array and employing it in a Frost FIR filter in the beamforming backend. The second proposed method uses fast algorithms to realize the inverse of mutual coupling matrix via tridiagonal Toeplitz matrices having sparse factors. A 5.8 GHz 32-element array and 1-7 GHz 7-element tightly coupled dipole array (TCDA) have been employed to demonstrate the proof-of-concept of these algorithms

Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals

[EN] The processing of radiofrequency signals using photonics means is a discipline that appeared almost at the same time as the laser and the optical fibre. Photonics offers the capability of managing broadband radiofrequency (RF) signals thanks to its low transmission attenuation, a variety of linear and non-linear phenomena and, recently, the potential to implement integrated photonic subsystems. These features open the door for the implementation of multiple functionalities including optical transportation, up and down frequency conversion, optical RF filtering, signal multiplexing, de-multiplexing, routing and switching, optical sampling, tone generation, delay control, beamforming and photonic generation of digital modulations, and even a combination of several of these functionalities. This thesis is focused on the application of vector processing in the optical domain to radiofrequency signals in two fields of application: optical beamforming, and photonic vector modulation and demodulation of digital quadrature amplitude modulations. The photonic vector control enables to adjust the amplitude and phase of the radiofrequency signals in the optical domain, which is the fundamental processing that is required in different applications such as beamforming networks for direct radiating array (DRA) antennas and multilevel quadrature modulation. The work described in this thesis include different techniques for implementing a photonic version of beamforming networks for direct radiating arrays (DRA) known as optical beamforming networks (OBFN), with the objectives of providing a precise control in terrestrial applications of broadband signals at very high frequencies above 40 GHz in communication antennas, optimizing the size and mass when compared with the electrical counterparts in space application, and presenting new photonic-based OBFN functionalities. Thus, two families of OBFNs are studied: fibre-based true time delay architectures and integrated networks. The first allow the control of broadband signals using dispersive optical fibres with wavelength division multiplexing techniques and advanced functionalities such as direction of arrival estimation in receiving architectures. In the second, passive OBFNs based on monolithically-integrated Optical Butler Matrices are studied, including an ultra-compact solution using optical heterodyne techniques in silicon-on-insulator (SOI) material, and an alternative implementing a homodyne counterpart in germanium doped silica material. In this thesis, the application of photonic vector processing to the generation of quadrature digital modulations has also been investigated. Multilevel modulations are based on encoding digital information in discrete states of phase and amplitude of an electrical signal to enhance spectral efficiency, as for instance, in quadrature modulation. The signal process required for generating and demodulating this kind of signals involves vector processing (phase and amplitude control) and frequency conversion. Unlike the common electronic or digital implementation, in this thesis, different photonic based signal processing techniques are studied to produce digital modulation (photonic vector modulation, PVM) and demodulation (PVdM). These techniques are of particular interest in the case of broadband signals where the data rate required to be managed is in the order of gigabit per second, for applications like wireless backhauling of metro optical networks (known as fibre-to-the-air). The techniques described use optical dispersion in optical fibres, wavelength division multiplexing and photonic up/down conversion. Additionally, an optical heterodyne solution implemented monolithically in a photonic integrated circuit (PIC) is also described.[ES] El procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF) utilizando medios fotónicos es una disciplina que apareció casi al mismo tiempo que el láser y la fibra óptica. La fotónica ofrece la capacidad de manipular señales de radiofrecuencia de banda ancha, una baja atenuación, procesados basados en una amplia variedad de fenómenos lineales y no lineales y, recientemente, el potencial para implementar subsistemas fotónicos integrados. Estas características ofrecen un gran potencial para la implementación de múltiples funcionalidades incluyendo transporte óptico, conversión de frecuencia, filtrado óptico de RF, multiplexación y demultiplexación de señales, encaminamiento y conmutación, muestreo óptico, generación de tonos, líneas de retardo, conformación de haz en agrupaciones de antenas o generación fotónica de modulaciones digitales, e incluso una combinación de varias de estas funcionalidades. Esta tesis se centra en la aplicación del procesamiento vectorial en el dominio óptico de señales de radiofrecuencia en dos campos de aplicación: la conformación óptica de haces y la modulación y demodulación vectorial fotónica de señales digitales en cuadratura. El control fotónico vectorial permite manipular la amplitud y fase de las señales de radiofrecuencia en el dominio óptico, que es el procesamiento fundamental que se requiere en diferentes aplicaciones tales como las redes de conformación de haces para agrupaciones de antenas y en la modulación en cuadratura. El trabajo descrito en esta tesis incluye diferentes técnicas para implementar una versión fotónica de las redes de conformación de haces de en agrupaciones de antenas, conocidas como redes ópticas de conformación de haces (OBFN). Se estudian dos familias de redes: arquitecturas de retardo en fibra óptica y arquitecturas integradas. Las primeras permiten el control de señales de banda ancha utilizando fibras ópticas dispersivas con técnicas de multiplexado por división de longitud de onda y funcionalidades avanzadas tales como la estimación del ángulo de llegada de la señal en la antena receptora. En la segunda, se estudian redes de conformación pasivas basadas en Matrices de Butler ópticas integradas, incluyendo una solución ultra-compacta utilizando técnicas ópticas heterodinas en silicio sobre aislante (SOI), y una alternativa homodina en sílice dopado con germanio. En esta tesis, también se han investigado técnicas de procesado vectorial fotónico para la generación de modulaciones digitales en cuadratura. Las modulaciones multinivel codifican la información digital en estados discretos de fase y amplitud de una señal eléctrica para aumentar su eficiencia espectral, como por ejemplo la modulación en cuadratura. El procesado necesario para generar y demodular este tipo de señales implica el procesamiento vectorial (control de amplitud y fase) y la conversión de frecuencia. A diferencia de la implementación electrónica o digital convencional, en esta tesis se estudian diferentes técnicas de procesado fotónico tanto para la generación de modulaciones digitales (modulación vectorial fotónica, PVM) como para su demodulación (PVdM). Esto es de particular interés en el caso de señales de banda ancha, donde la velocidad de datos requerida es del orden de gigabits por segundo, para aplicaciones como backhaul inalámbrico de redes ópticas metropolitanas (conocida como fibra hasta el aire). Las técnicas descritas se basan en explotar la dispersión cromática de la fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión en frecuencia. Además, se presenta una solución heterodina implementada monolíticamente en un circuito integrado fotónico (PIC).[CA] El processament de senyals de radiofreqüència (RF) utilitzant mitjans fotònics és una disciplina que va aparèixer gairebé al mateix temps que el làser i la fibra òptica. La fotònica ofereix la capacitat de manipular senyals de radiofreqüència de banda ampla, una baixa atenuació, processats basats en una àmplia varietat de fenòmens lineals i no lineals i, recentment, el potencial per implementar subsistemes fotònics integrats. Aquestes característiques ofereixen un gran potencial per a la implementació de múltiples funcionalitats incloent transport òptic, conversió de freqüència, filtrat òptic de RF, multiplexació i demultiplexació de senyals, encaminament i commutació, mostreig òptic, generació de tons, línies de retard, conformació de feix en agrupacions d'antenes i la generació fotònica de modulacions digitals, i fins i tot una combinació de diverses d'aquestes funcionalitats. Aquesta tesi es centra en l'aplicació del processament vectorial en el domini òptic de senyals de radiofreqüència en dos camps d'aplicació: la conformació òptica de feixos i la modulació i demodulació vectorial fotònica de senyals digitals en quadratura. El control fotònic vectorial permet manipular l'amplitud i la fase dels senyals de radiofreqüència en el domini òptic, que és el processament fonamental que es requereix en diferents aplicacions com ara les xarxes de conformació de feixos per agrupacions d'antenes i en modulació multinivell. El treball descrit en aquesta tesi inclou diferents tècniques per implementar una versió fotònica de les xarxes de conformació de feixos en agrupacions d'antenes, conegudes com a xarxes òptiques de conformació de feixos (OBFN), amb els objectius de proporcionar un control precís en aplicacions terrestres de senyals de banda ampla a freqüències molt altes per sobre de 40 GHz en antenes de comunicacions, optimitzant la mida i el pes quan es compara amb els homòlegs elèctrics en aplicacions espacials, i la presentació de noves funcionalitats fotòniques per agrupacions d'antenes. Per tant, s'estudien dues famílies de OBFNs: arquitectures de retard en fibra òptica i arquitectures integrades. Les primeres permeten el control de senyals de banda ampla utilitzant fibres òptiques dispersives amb tècniques de multiplexació per divisió en longitud d'ona i funcionalitats avançades com ara l'estimació de l'angle d'arribada del senyal a l'antena receptora. A la segona, s'estudien xarxes de conformació passives basades en Matrius de Butler òptiques en fotònica integrada, incloent una solució ultra-compacta utilitzant tècniques òptiques heterodinas en silici sobre aïllant (SOI), i una alternativa homodina en sílice dopat amb germani. D'altra banda, també s'ha investigat en aquesta tesi tècniques de processament vectorial fotònic per a la generació de modulacions digitals en quadratura. Les modulacions multinivell codifiquen la informació digital en estats discrets de fase i amplitud d'un senyal elèctric per augmentar la seva eficiència espectral, com ara la modulació en quadratura. El processat necessari per generar i desmodular aquest tipus de senyals implica el processament vectorial (control d'amplitud i fase) i la conversió de freqüència. A diferència de la implementació electrònica o digital convencional, en aquesta tesi s'estudien diferents tècniques de processament fotònic tant per a la generació de modulacions digitals (modulació vectorial fotònica, PVM) com per la seva demodulació (PVdM). Això és de particular interès en el cas de senyals de banda ampla, on la velocitat de dades requerida és de l'ordre de gigabits per segon, per a aplicacions com backhaul sense fils de xarxes òptiques metropolitanes (coneguda com fibra fins l'aire). Les tècniques descrites es basen en explotar la dispersió cromàtica de la fibra òptica, la multiplexació per divisió en longitud d'ona i la conversió en freqüència. A més, es presePiqueras Ruipérez, MÁ. (2016). Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63264TESI

Beacon Synchronization for GTS Collision Avoidance in an IEEE 802.15.4 Meshed Network

International audienceIndustrial process control architectures are generally composed of nodes organized in a cluster-tree. Today, wired communications between nodes enable guaranteeing the constraint respect attached to determinism. Innovations in wireless technology allow using these new technologies instead of wired systems. IEEE 802.15.4 standard meet industrial local network needs, but it does not propose any mechanisms to avoid beacon and GTS (Guaranteed Time Slot ) collisions in meshed network. This communication proposes a new synchronization method for beacons and GTSs in meshed networks using IEEE 802.15.4