Towards the Internet of Smart Trains: A Review on Industrial IoT-Connected Railways

[Abstract] Nowadays, the railway industry is in a position where it is able to exploit the opportunities created by the IIoT (Industrial Internet of Things) and enabling communication technologies under the paradigm of Internet of Trains. This review details the evolution of communication technologies since the deployment of GSM-R, describing the main alternatives and how railway requirements, specifications and recommendations have evolved over time. The advantages of the latest generation of broadband communication systems (e.g., LTE, 5G, IEEE 802.11ad) and the emergence of Wireless Sensor Networks (WSNs) for the railway environment are also explained together with the strategic roadmap to ensure a smooth migration from GSM-R. Furthermore, this survey focuses on providing a holistic approach, identifying scenarios and architectures where railways could leverage better commercial IIoT capabilities. After reviewing the main industrial developments, short and medium-term IIoT-enabled services for smart railways are evaluated. Then, it is analyzed the latest research on predictive maintenance, smart infrastructure, advanced monitoring of assets, video surveillance systems, railway operations, Passenger and Freight Information Systems (PIS/FIS), train control systems, safety assurance, signaling systems, cyber security and energy efficiency. Overall, it can be stated that the aim of this article is to provide a detailed examination of the state-of-the-art of different technologies and services that will revolutionize the railway industry and will allow for confronting today challenges.Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; ED431C 2016-045Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; ED341D R2016/012Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; ED431G/01Agencia Estatal de Investigación (España); TEC2013-47141-C4-1-RAgencia Estatal de Investigación (España); TEC2015-69648-REDCAgencia Estatal de Investigación (España); TEC2016-75067-C4-1-

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

WiFi and LTE Coexistence in the Unlicensed Spectrum

Today, smart-phones have revolutionized wireless communication industry towards an era of mobile data. To cater for the ever increasing data traffic demand, it is of utmost importance to have more spectrum resources whereby sharing under-utilized spectrum bands is an effective solution. In particular, the 4G broadband Long Term Evolution (LTE) technology and its foreseen 5G successor will benefit immensely if their operation can be extended to the under-utilized unlicensed spectrum. In this thesis, first we analyze WiFi 802.11n and LTE coexistence performance in the unlicensed spectrum considering multi-layer cell layouts through system level simulations. We consider a time division duplexing (TDD)-LTE system with an FTP traffic model for performance evaluation. Simulation results show that WiFi performance is more vulnerable to LTE interference, while LTE performance is degraded only slightly. Based on the initial findings, we propose a Q-Learning based dynamic duty cycle selection technique for configuring LTE transmission gaps, so that a satisfactory throughput is maintained both for LTE and WiFi systems. Simulation results show that the proposed approach can enhance the overall capacity performance by 19% and WiFi capacity performance by 77%, hence enabling effective coexistence of LTE and WiFi systems in the unlicensed band

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

Ondas milimétricas e MIMO massivo para otimização da capacidade e cobertura de redes heterogeneas de 5G

Today's Long Term Evolution Advanced (LTE-A) networks cannot support the exponential growth in mobile traffic forecast for the next decade. By 2020, according to Ericsson, 6 billion mobile subscribers worldwide are projected to generate 46 exabytes of mobile data traffic monthly from 24 billion connected devices, smartphones and short-range Internet of Things (IoT) devices being the key prosumers. In response, 5G networks are foreseen to markedly outperform legacy 4G systems. Triggered by the International Telecommunication Union (ITU) under the IMT-2020 network initiative, 5G will support three broad categories of use cases: enhanced mobile broadband (eMBB) for multi-Gbps data rate applications; ultra-reliable and low latency communications (URLLC) for critical scenarios; and massive machine type communications (mMTC) for massive connectivity. Among the several technology enablers being explored for 5G, millimeter-wave (mmWave) communication, massive MIMO antenna arrays and ultra-dense small cell networks (UDNs) feature as the dominant technologies. These technologies in synergy are anticipated to provide the 1000_ capacity increase for 5G networks (relative to 4G) through the combined impact of large additional bandwidth, spectral efficiency (SE) enhancement and high frequency reuse, respectively. However, although these technologies can pave the way towards gigabit wireless, there are still several challenges to solve in terms of how we can fully harness the available bandwidth efficiently through appropriate beamforming and channel modeling approaches. In this thesis, we investigate the system performance enhancements realizable with mmWave massive MIMO in 5G UDN and cellular infrastructure-to-everything (C-I2X) application scenarios involving pedestrian and vehicular users. As a critical component of the system-level simulation approach adopted in this thesis, we implemented 3D channel models for the accurate characterization of the wireless channels in these scenarios and for realistic performance evaluation. To address the hardware cost, complexity and power consumption of the massive MIMO architectures, we propose a novel generalized framework for hybrid beamforming (HBF) array structures. The generalized model reveals the opportunities that can be harnessed with the overlapped subarray structures for a balanced trade-o_ between SE and energy efficiently (EE) of 5G networks. The key results in this investigation show that mmWave massive MIMO can deliver multi-Gbps rates for 5G whilst maintaining energy-efficient operation of the network.As redes LTE-A atuais não são capazes de suportar o crescimento exponencial de tráfego que está previsto para a próxima década. De acordo com a previsão da Ericsson, espera-se que em 2020, a nível global, 6 mil milhões de subscritores venham a gerar mensalmente 46 exa bytes de tráfego de dados a partir de 24 mil milhões de dispositivos ligados à rede móvel, sendo os telefones inteligentes e dispositivos IoT de curto alcance os principais responsáveis por tal nível de tráfego. Em resposta a esta exigência, espera-se que as redes de 5a geração (5G) tenham um desempenho substancialmente superior às redes de 4a geração (4G) atuais. Desencadeado pelo UIT (União Internacional das Telecomunicações) no âmbito da iniciativa IMT-2020, o 5G irá suportar três grandes tipos de utilizações: banda larga móvel capaz de suportar aplicações com débitos na ordem de vários Gbps; comunicações de baixa latência e alta fiabilidade indispensáveis em cenários de emergência; comunicações massivas máquina-a-máquina para conectividade generalizada. Entre as várias tecnologias capacitadoras que estão a ser exploradas pelo 5G, as comunicações através de ondas milimétricas, os agregados MIMO massivo e as redes celulares ultradensas (RUD) apresentam-se como sendo as tecnologias fundamentais. Antecipa-se que o conjunto destas tecnologias venha a fornecer às redes 5G um aumento de capacidade de 1000x através da utilização de maiores larguras de banda, melhoria da eficiência espectral, e elevada reutilização de frequências respetivamente. Embora estas tecnologias possam abrir caminho para as redes sem fios com débitos na ordem dos gigabits, existem ainda vários desafios que têm que ser resolvidos para que seja possível aproveitar totalmente a largura de banda disponível de maneira eficiente utilizando abordagens de formatação de feixe e de modelação de canal adequadas. Nesta tese investigamos a melhoria de desempenho do sistema conseguida através da utilização de ondas milimétricas e agregados MIMO massivo em cenários de redes celulares ultradensas de 5a geração e em cenários 'infraestrutura celular-para-qualquer coisa' (do inglês: cellular infrastructure-to-everything) envolvendo utilizadores pedestres e veiculares. Como um componente fundamental das simulações de sistema utilizadas nesta tese é o canal de propagação, implementamos modelos de canal tridimensional (3D) para caracterizar de forma precisa o canal de propagação nestes cenários e assim conseguir uma avaliação de desempenho mais condizente com a realidade. Para resolver os problemas associados ao custo do equipamento, complexidade e consumo de energia das arquiteturas MIMO massivo, propomos um modelo inovador de agregados com formatação de feixe híbrida. Este modelo genérico revela as oportunidades que podem ser aproveitadas através da sobreposição de sub-agregados no sentido de obter um compromisso equilibrado entre eficiência espectral (ES) e eficiência energética (EE) nas redes 5G. Os principais resultados desta investigação mostram que a utilização conjunta de ondas milimétricas e de agregados MIMO massivo possibilita a obtenção, em simultâneo, de taxas de transmissão na ordem de vários Gbps e a operação de rede de forma energeticamente eficiente.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe