Wireless indoor positioning based on TDOA and DOA estimation techniques using IEEE 802.11 standards

Magdeburg, Univ., Fak. für Elektrotechnik und Informationstechnik, Diss., 2015von Abdo Nasser Ali Gabe

Remote Control of Unmanned Aerial Vehicles Through the Internet and IEEE 802.11

This dissertation focuses on real-time control of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) through TCP/IP/IEEE 802.11. Using the MAVLink protocol - an open-source protocol for micro air vehicles - a solution that allows the exchange, in real-time, of control messages between a UAV and a remote Control Station was implemented. In order to allow the UAV control by a remote user, the vehicle streams a real-time video feed captured by a video-camera on board. The main challenge of this dissertation is related about the designing and implementation of a fast handover solution that allows an uninterruptible communication

Open Platforms for Connected Vehicles

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

5G-PPP Technology Board:Delivery of 5G Services Indoors - the wireless wire challenge and solutions

The 5G Public Private Partnership (5G PPP) has focused its research and innovation activities mainly on outdoor use cases and supporting the user and its applications while on the move. However, many use cases inherently apply in indoor environments whereas their requirements are not always properly reflected by the requirements eminent for outdoor applications. The best example for indoor applications can be found is the Industry 4.0 vertical, in which most described use cases are occurring in a manufacturing hall. Other environments exhibit similar characteristics such as commercial spaces in offices, shopping malls and commercial buildings. We can find further similar environments in the media & entertainment sector, culture sector with museums and the transportation sector with metro tunnels. Finally in the residential space we can observe a strong trend for wireless connectivity of appliances and devices in the home. Some of these spaces are exhibiting very high requirements among others in terms of device density, high-accuracy localisation, reliability, latency, time sensitivity, coverage and service continuity. The delivery of 5G services to these spaces has to consider the specificities of the indoor environments, in which the radio propagation characteristics are different and in the case of deep indoor scenarios, external radio signals cannot penetrate building construction materials. Furthermore, these spaces are usually “polluted” by existing wireless technologies, causing a multitude of interreference issues with 5G radio technologies. Nevertheless, there exist cases in which the co-existence of 5G new radio and other radio technologies may be sensible, such as for offloading local traffic. In any case the deployment of networks indoors is advised to consider and be planned along existing infrastructure, like powerlines and available shafts for other utilities. Finally indoor environments expose administrative cross-domain issues, and in some cases so called non-public networks, foreseen by 3GPP, could be an attractive deployment model for the owner/tenant of a private space and for the mobile network operators serving the area. Technology-wise there exist a number of solutions for indoor RAN deployment, ranging from small cell architectures, optical wireless/visual light communication, and THz communication utilising reconfigurable intelligent surfaces. For service delivery the concept of multi-access edge computing is well tailored to host virtual network functions needed in the indoor environment, including but not limited to functions supporting localisation, security, load balancing, video optimisation and multi-source streaming. Measurements of key performance indicators in indoor environments indicate that with proper planning and consideration of the environment characteristics, available solutions can deliver on the expectations. Measurements have been conducted regarding throughput and reliability in the mmWave and optical wireless communication cases, electric and magnetic field measurements, round trip latency measurements, as well as high-accuracy positioning in laboratory environment. Overall, the results so far are encouraging and indicate that 5G and beyond networks must advance further in order to meet the demands of future emerging intelligent automation systems in the next 10 years. Highly advanced industrial environments present challenges for 5G specifications, spanning congestion, interference, security and safety concerns, high power consumption, restricted propagation and poor location accuracy within the radio and core backbone communication networks for the massive IoT use cases, especially inside buildings. 6G and beyond 5G deployments for industrial networks will be increasingly denser, heterogeneous and dynamic, posing stricter performance requirements on the network. The large volume of data generated by future connected devices will put a strain on networks. It is therefore fundamental to discriminate the value of information to maximize the utility for the end users with limited network resources

The latest advances in wireless communication in aviation, wind turbines and bridges

Present-day technologies used in SHM (Structural Health Monitoring) systems in many implementations are based on wireless sensor networks (WSN). In the context of the continuous development of these systems, the costs of the elements that form the monitoring system are decreasing. In this situation, the challenge is to select the optimal number of sensors and the network architecture, depending on the wireless system’s other parameters and requirements. It is a challenging task for WSN to provide scalability to cover a large area, fault tolerance, transmission reliability, and energy efficiency when no events are detected. In this article, fundamental issues concerning wireless communication in structural health monitoring systems (SHM) in the context of non-destructive testing sensors (NDT) were presented. Wireless technology developments in several crucial areas were also presented, and these include engineering facilities such as aviation and wind turbine systems as well as bridges and associated engineering facilities

Resource-Efficient Wireless Systems for Emerging Wireless Networks

As the wireless medium has become the primary source of communication and Internet connectivity, and as devices and wireless technologies become more sophisticated and capable, there has been a surge in the capacity demands and complexity of applications that run over these wireless devices. To sustain the volume and QoE guarantees of the data generated, the opportunity and need to rethink wireless network design across all the layers of the protocol stack has firmly emerged as a solution to enable the timely and reliable delivery of data, while handling the inherent challenges of a crowded wireless medium, such as congestion, interference, and hidden terminals. The research work presented in this dissertation builds efficient solutions and protocols with a theoretical foundation to address the challenges that arise in rethinking wireless network design. Example challenges include managing the overhead associated with complex systems. My work particularly focuses on the opportunities and challenges of sophisticated technology and systems in emerging wireless networks. I target the main thrusts in the evolution of wireless networks that create significant opportunity to achieve higher theoretical capacity, and have direct implications on our day-to-day wireless interactions: from enabling multifold increase in capacity in wireless physical links, to developing medium access techniques to exploit the high speed links, and making the applications more bandwidth efficient. I build deployable, and resource-aware wireless systems that exploit higher bandwidths by leveraging and advancing diverse research areas such as theory, analysis, protocol design, and wireless networking. Specifically, I identify the erroneous assumptions and fundamental limitations of existing solutions in capturing the true and complex interactions between wireless devices and protocols. I use these insights to guide practical and efficient protocol design, followed by thorough analysis and evaluation in testbed implementations via prototypes and measurements. I show that my proposed solutions achieve significant performance gains, at minimum cost to overhead

Applications of graph theory to wireless networks and opinion analysis

La teoría de grafos es una rama importante dentro de la matemática discreta. Su uso ha aumentado recientemente dada la conveniencia de los grafos para estructurar datos, para analizarlos y para generarlos a través de modelos. El objetivo de esta tesis es aplicar teoría de grafos a la optimización de redes inalámbricas y al análisis de opinión. El primer conjunto de contribuciones de esta tesis versa sobre la aplicación de teoría de grafos a redes inalámbricas. El rendimiento de estas redes depende de la correcta distribución de canales de frecuencia en un espacio compartido. Para optimizar estas redes se proponen diferentes técnicas, desde la aplicación de heurísticas como simulated annealing a la negociación automática. Cualquiera de estas técnicas requiere un modelo teórico de la red inalámbrica en cuestión. Nuestro modelo de redes Wi-Fi utiliza grafos geométricos para este propósito. Los vértices representan los dispositivos de la red, sean clientes o puntos de acceso, mientras que las aristas representan las señales entre dichos dispositivos. Estos grafos son de tipo geométrico, por lo que los vértices tienen posición en el espacio, y las aristas tienen longitud. Con esta estructura y la aplicación de un modelo de propagación y de uso, podemos simular redes inalámbricas y contribuir a su optimización. Usando dicho modelo basado en grafos, hemos estudiado el efecto de la interferencia cocanal en redes Wi-Fi 4 y mostramos una mejora de rendimiento asociada a la técnica de channel bonding cuando se usa en regiones donde hay por lo menos 13 canales disponibles. Por otra parte, en esta tesis doctoral hemos aplicado teoría de grafos al análisis de opinión dentro de la línea de investigación de SensoGraph, un método con el que se realiza un análisis de opinión sobre un conjunto de elementos usando grafos de proximidad, lo que permite manejar grandes conjuntos de datos. Además, hemos desarrollado un método de análisis de opinión que emplea la asignación manual de aristas y distancias en un grafo para estudiar la similaridad entre las muestras dos a dos. Adicionalmente, se han explorado otros temas sin relación con los grafos, pero que entran dentro de la aplicación de las matemáticas a un problema de la ingeniería telemática. Se ha desarrollado un sistema de votación electrónica basado en mixnets, secreto compartido de Shamir y cuerpos finitos. Dicha propuesta ofrece un sistema de verificación numérico novedoso a la vez que mantiene las propiedades esenciales de los sistemas de votación

Communication in Mobile Robotics

Cílem této práce je poskytnout náhled do způsobů, jakými by se daly vylepšit komunikační spoje používané v mobilní a zejména servisní a záchranářské robotice. Elektromagnetické spektrum, zejména rádiové spektrum, je rozebráno vzhledem k nutnosti určit frekvence na kterých je možné komunikační spoje provozovat. Dále jsou popsány digitální modulace, jelikož mají vliv na chování signálu v přítomnosti rušení. Rovněž jsou popsány možnosti vylepšení komunikačních spojů, a to včetně jejich vhodného použití a možné implementace. Je vyvinut komunikační subsystém založený na routerech MikroTik. Tento komunikační subsystém je schopen retranslace a je vybaven hardwarem potřebným pro implementaci záložního spoje založeného na LTE. Jako testovací robot je oživen robot Orpheus HOPE, který je vybaven novou řídicí deskou, firmwarem, zmíněným komunikačním subsystémem a přejmenován na Orpheus CT. Dále je vyvinut systém pro měření vlastností komunikačních spojů, který je následně ověřen během dvou experimentů. Třetí experiment se zabývá testováním funkce retranslace komunikačního subsystému. Zhodnocení experimentů ukazuje, že zmíněný měřicí systém funguje a že komunikační subsystém je vhodný pro použití v robotech servisní a záchranářské robotiky.The goal of this thesis is to provide insight into ways of improving communication links used in mobile robotics, specifically in field robotics. First, the electromagnetic spectrum is studied in order to provide information about what frequencies can be used. Digital modulations are described as well as they greatly influence link's behavior in presence of noise. Furthermore, various ways of enhancing communication links are described alongside with ideas about their use and implementation. A communication subsystem based on MikroTik routers suitable for field robotics robots is designed and developed. This communication subsystem is capable of retranslation and has hardware required for implementation of redundant communication link based on LTE. Revival of Orpheus HOPE robot is then described. The robot is equipped with a new control unit firmware, the communication subsystem and is renamed to Orpheus CT. A simple system suitable for measuring communication link properties is developed and tested. The system for measuring link properties is then evaluated during two experiments. One experiment is dedicated to testing of retranslation capabilities of the communication subsystem. Evaluation of experiment results shows that the measurement system works and that the communication subsystem is suitable for implementation into real field robots.

Development and evaluation of smartphone-based ITS applications for vehicular networks

[ES] Una de las áreas de investigación que está recibiendo más atención recientemente es la de vehículos autónomos. Los investigadores están en este momento centrados en el tercer de los cinco niveles de autonomía, los cuales son: asistencia en la conducción, automatización parcial, automatización condicional, alta automatización y automatización completa. A pesar de los rápidos progresos que están habiendo en este campo, la adopción de estas soluciones llevará tiempo no sólo debido a cuestiones legales, sino también por el hecho de que los avances tecnológicos se enfrentan a un lento respaldo por parte de los fabricantes. Además, la baja tasa de renovación de vehículos de carretera, dificulta el despliegue de tecnologías innovadoras, como es el caso de la red vehicular. Ocho años después de la introducción de la norma 802.11p para la comunicación vehicular del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IIEE), los vehículos que se usan a diario todavía carecen de la capacidad de comunicarse entre sí. Este hecho impide el uso de las muchas aplicaciones de seguridad del Sistema de Inteligencia de Transporte (SIT) que aprovecha la red vehicular para el intercambio de datos. La forma obvia de manejar este problema es poner las tecnologías disponibles a la disposición de los usuarios comunes para desarrollar soluciones que se puedan implementar fácilmente y, además, económicas. Por esta razón, trasladamos nuestra atención a los dispositivos inteligentes, especialmente a los teléfonos inteligentes, los cuales han recorrido un largo camino desde la primera introducción de teléfonos móviles a finales del siglo XX. Hoy en día casi todos llevan uno en su bolsillo a donde sea que vayan, permitiéndoles no sólo hacer llamadas, sino también medir y controlar diferentes parámetros con la ayuda de los muchos sensores integrados que están disponibles para estos dispositivos compactos pero potentes. Nuestro objetivo es estudiar los efectos de la integración de los teléfonos inteligentes a la red vehicular para desarrollar aplicaciones de seguridad del SIT. La elección de los teléfonos inteligentes aquí no solo está justificada por su amplia disponibilidad y uso, sino también porque están evolucionando hacia terminales de alto rendimiento con microprocesadores de múltiples núcleos cargados dotados de un grupo suficientemente diverso de sensores. En esta tesis proponemos tres diferentes aplicaciones de seguridad SIT para teléfonos inteligentes, diseñados para aprovechar el entorno de red vehicular: una aplicación de generación de advertencia llamada Messiah que alerta a los conductores de la presencia de vehículos de emergencia en las cercanías; una aplicación de Advertencia de Colisión Frontal (ACF) que advierte a los conductores si no se mantiene la distancia de seguridad mínima entre el vehículo que va delante y el que lo sigue; y, por último, una aplicación que tiene como objetivo ayudar a los conductores con asistencia visual durante el adelantamiento, llamada EYES. Todas estas aplicaciones han sido desarrolladas para la plataforma Android, y dependen de la transmisión de datos entre vehículos. Dado que los vehículos que utilizamos día a día no admiten la posibilidad de comunicarse entre sí, también diseñamos GRCBox, que es una unidad integrada de bajo coste que permite la comunicación del Vehículo a Todo (V2X). A partir de nuestro estudio de aplicaciones para dispositivos móviles diseñados para redes vehiculares, descubrimos que el uso de teléfonos inteligentes proporciona una nueva dirección para la investigación relacionada con SIT y redes vehiculares al permitir la adopción rápida de las soluciones existentes, donde los usuarios pueden descargar y usar las aplicaciones con sólo un clic a un botón. Al mismo tiempo, la portabilidad y compacidad de los dispositivos los hace limitados en términos de velocidad, potencia de procesamiento y precisi[CA] Una de les àrees d'investigació que està rebent més atenció recentment és la de vehicles autònoms. Els investigadores estan en este moment centrats en el tercer dels cinc nivells d'autonomia, els quals són: assistència en la conducció, automatització parcial, automatització condicional, alta automatització i automatització completa. Malgrat els ràpids progressos que s'estan donant en este camp, l'adopció d'estes solucions portarà temps no sols degut a qüestions legals, sinó també pel fet que els avanços tecnològics s'enfronten a un lent recolzament per part dels fabricants. A més a més, la baixa taxa de renovació de vehicles de carretera, dificulta el desplegament de tecnologies innovadores com és el cas de la xarxa vehicular. Huit anys després de la introducció de la norma 802.11p per a la comunicació vehicular de l'Institut d'Enginyers Elèctrics i Electrònics (IEEE), els vehicles que s'utilitzen a diari encara manquen de la capacitat de comunicar-se entre sí. Este fet impedeix l'ús de les moltes aplicacions de seguretat del Sistema d'Intel·ligència de Transport (SIT) que aprofita la xarxa vehicular per a l'intercanvi de dades. La forma òbvia de tractar aquest problema és posar les tecnologies disponibles a la disposició dels usuaris comuns per a desenvolupar solucions que es puguen implementar fàcilment, còmodes d'adoptar i, a més a més, econòmiques. Per aquesta raó, traslladem la nostra atenció als dispositius intel·ligents, especialment als telèfons intel·ligents, els quals han recorregut un llarg camí des de la primera introducció de telèfons mòbils a finals del segle XX. Hui en dia quasi tots porten un en la butxaca on siga que vagen, permetent-los no sols fer cridades, sinó també mesurar i controlar diferents paràmetres amb l'ajuda dels molts sensors integrats que estan disponibles per a estos dispositius compactes però potents. El nostre objectiu és estudiar els efectes de la integració dels telèfons intel·ligents a la xarxa vehicular per a desenvolupar aplicacions de seguretat del SIT. L'elecció dels telèfons intel·ligents ací no està sols justificada per la seua àmplia disponibilitat i ús, sinó també perquè estan evolucionant cap a terminals d'alt rendiment amb microprocessadors de múltiples nuclis dotats amb un grup suficientment divers de sensors. En esta tesi proposem tres diferents aplicacions de seguretat SIT per a telèfons intel·ligents, dissenyats per a aprofitar l'entorn de xarxa vehicular: una aplicació de generació d'advertència anomenada Messiah que alerta els conductors de la presència de vehicles d'emergència en les proximitats; una aplicació Advertència de Col·lisió Frontal (ACF) que adverteix els conductors si no mantenen la distància de seguretat mínima entre el vehicle que va davant i el que el segueix; i, per últim, una aplicació que té com objectiu ajudar els conductors amb assistència visual durant l'avançament, anomenat EYES. Totes aquestes aplicacions han sigut desenvolupades per a la plataforma Android, i depenen de la transmissió de dades entre vehicles. Donat que els vehicles que utilitzem a diari no admeten la possibilitat de comunicar-se entre sí, també dissenyem GRCBox, que és una unitat integrada de baix cost que permet la comunicació de Vechicle a Tot (V2X). A partir del nostre estudi d'aplicacions per a dispositius mòbils dissenyats per a xarxes vehiculars, descobrim que l'ús de telèfons intel·ligents proporciona una nova direcció per a la investigació relacionada amb SIT i xarxes vehiculars al permetre l'adopció ràpida de les solucions existents, on els usuaris poden descarregar i utilitzar les aplicacions amb un sol clic a un botó. Però al mateix temps, la portabilitat i la compacitat dels dispositius els fa limitats en termes de velocitat, potència de processament i precisió del sensor integrat, cosa que afecta al rendiment de les aplicacions.[EN] One of the research areas that is receiving a lot of attention recently is autonomous vehicles. Researchers are currently focused on the third level of autonomy out of the five levels, which are: drive assistance, partial automation, conditional automation, high automation, and full automation. Even though rapid progress is being made in this field, the adoption of these solutions will take time not only due to legal issues, but also due to the fact that technological improvements face slow endorsement by manufacturers. Also, the slow renewal rate of vehicles on road hinders the deployment of novel technologies, as is the case of Vehicular Networks (VNs). Eight years after the introduction of the IEEE 802.11p standard for vehicular communication, vehicles used on a daily basis still lack the capability of communicating with one other. This fact impedes the use of the many ITS safety applications that take advantage of VNs for data exchange. The obvious way to handle this problem is to use the available technologies at the disposal of common users to develop solutions that are easily deployable, effortless to adopt, and moreover, cost effective. For this reason we shift our attention to smart devices, specially smartphones, which have come a long way since the first introduction of mobile phones in the late 20th century. Nowadays, nearly everyone carries one in their pocket anywhere they go, allowing them to not only make calls, but also to measure and monitor different parameters with the help of the many on-board sensors that are available to these compact yet powerful devices. Our objective is to study the effects of integrating smartphones to vehicular networks, to develop ITS safety applications. The choice of smartphones here is not only justified by their wide availability and use, but also because they are evolving towards high performance terminals with multi-core microprocessors packed with a sufficiently diverse group of sensors. In this thesis we propose three different ITS safety applications for smartphones, designed to take advantage of the vehicular network environment: a warning generation application called Messiah that alerts drivers of the presence of emergency vehicles in close proximity; a FCW application which warns drivers if a minimum safe distance is not maintained between the vehicle ahead and the one following it; and lastly an application that aims to aid drivers with visual assistance while overtaking, named EYES. All these applications have been developed for the Android platform, and are dependent on the data transmission among vehicles. Since vehicles we use on a day to day basis still do not accommodate the possibility to communicate with one another, we also designed the GRCBox, which is a low cost on-board unit that supports V2X communication. From our study of applications for mobile devices designed for VNs, we found that the use of smartphones provides a new direction to research related to ITS and VNs by allowing a quick adoption of the existing solutions, where users are able to download and use applications just by one click of a button. But at the same time, the portability and compactness of the devices makes them limited in terms of speed, processing power, and accuracy of the on-board sensor, thus affecting the performance of the applications. In our case, the simpler Messiah application performed very well, while the EYES application that is dependent on GPS data, and the FCW application which required heavy processing and use of the camera due to its dependence on plate recognition, were affected by the hardware limitations of the smartphones.Patra, S. (2019). Development and evaluation of smartphone-based ITS applications for vehicular networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124058TESI