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

TIME AND FREQUENCY CHARACTERISTIC OF 802.11AX

Wireless Local Area Network (WLAN) is a wireless communication system that connects two or more devices using radio frequency to form a local network (LAN). WLAN is used inside buildings (e.g., apartment, campus, train station). Unlike Ethernet, The first WLAN standard, namely IEEE 802.11b, was released in the 1990s. Maximum achievable data rate is 11 Mbps for 802.11b. The most recent version is 802.11ax with maximum throughput of 3.46 Gbps. This thesis reports network throughput, jitter, and delay performance of IEEE 802.11ax experimentally measured and analyzed under various conditions (SNR, window size and packet length). It also gives an empirical model to simulate the behavior of 802.11ax network throughput and jitter

Langattoman tehtävädatansiirtojärjestelmän suunnittelu lentokoneympäristöön

This thesis is about designing wireless mission data transfer system for the Finnish Air Force's Grob 115E elementary training aircraft. This thesis explains the use case of the mission data system, and how the wireless implementation for the mission data transfer would change the operation. The target was to design a system that is capable of transferring data wirelessly between the ground station and the Grob aircraft. The biggest challenge for the implementation was the vast amount of data that was needed to be transferred from the aircraft to the ground station after the flight. Also, the time window during which the transfer had to be completed was very limited. Two WLAN standards, IEEE's 802.11ac and 802.11ax were considered as potential techniques for the implementation. In this thesis the WLAN security was also examined, and two additional methods outside of WLAN standards were suggested for gaining better security for the data transmission. Wireless system utilizing the 802.11ac standard was tested and OpenSSH and OpenVPN were examined as potential techniques to strengthen the communication security. The results showed that the 802.11ac standard performs well with the communication distances of the wireless mission data transfer system. 802.11ac however has one drawback that will reduce its potential as the communication standard for the task

WIMAX LINK PERFORMANCE ANALYSIS FOR WIRELESS AUTOMATION APPLICATIONS

Wireless broadband access technologies are rapidly growing and a corresponding growth in the demand of its applicability transcends faster internet access, high speed file download and different multimedia applications such as voice calls, video streaming, teleconferencing etc, to industrial operations and automation. Industrial and automation systems perform operations that requires the transmission of real time information from one end to another through high-performance wireless broadband communication links. WiMAX, based on IEEE 802.16 standard is one of the wireless broadband access technologies that has overcome location, speed, and access limitations of the traditional Digital Subscriber Line and Wireless Fidelity, and offers high efficient data rates. This thesis presents detailed analysis of operational WiMAX link performance parameters such as throughput, latency, jitter, and packet loss for suitable applicability in wireless automation applications. The theoretical background of components and functionalities of WiMAX physical and MAC layers as well as the network performance features are presented. The equipment deployed for this field experiment are Alvarion BreeZeMAX 3000 fixed WiMAX equipment operating in the 3.5 GHz licensed band with channel bandwidth of 3.5 MHz. The deployed equipment consisting of MBSE and CPE are installed and commissioned prior to field tests. Several measurements are made in three link quality scenarios (sufficient, good and excellent) in the University of Vaasa campus. Observations and results obtained are discussed and analyzed.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

WI-FI 6: CARACTERÍSTICAS Y ASPECTOS PARTICULARES DEL ESTÁNDAR (IEEE-802.11AX WI-FI 6: CHARACTERISTICS AND PARTICULAR ASPECTS OF THE IEEE-802.11AX STANDARD)

ResumenEl estándar IEEE 802.11 de red de área local inalámbrica se ha desarrollado por más de 28 años desde su primera versión con velocidad a 2 Mbit/s. La última versión de Wi-Fi está por aparecer, la versión ax, que alcanza la velocidad de 10 Gbit/s. IEEE 802.11ax fue concebido en 2014 con el objetivo de mejorar el rendimiento por área en escenarios de alta densidad. Describiremos las principales características de 802.11ax. En este trabajo se hace una revisión bibliográfica de las principales diferencias entre este nuevo estándar y las versiones anteriores. Entre las diferencias se pueden mencionar las siguientes; el enfoque de acceso aleatorio con división de frecuencia ortogonales, nuevas técnicas de reutilización de canales espaciales y control de potencia. Además, se destacarán otras mejoras significativas seleccionadas; incluyendo mejoras en la capa física, múltiples usuarios con múltiples entradas y salidas, avances en el ahorro de energía, etc. que hacen este estándar una mejora importante con respecto a su predecesor 802.11ac.Palabras clave: Ahorro de potencia, Calidad de servicio, OFDMA, MU-MIMO, Redes de alta densidad, Redes de alta eficiencia. AbstractThe IEEE 802.11 wireless local area network standard has been developed for more than 28 years since its first version with a speed of 2 Mbit / s. The latest version of Wi-Fi is about to appear, the ax version, which reaches the speed of 10 Gbps. IEEE 802.11ax was conceived in 2014 with the objective of improving performance per area in high density scenarios. We will describe the main features of 802.11ax, among which may be mentioned the following; the random access approach with orthogonal frequency division, new spatial channel reuse techniques and power control. In addition, other significant improvements selected will be highlighted; including improvements in the physical layer, multiple users with multiple inputs and outputs, advances in energy saving, etc. that make this standard a significant improvement over its predecessor 802.11ac.Keywords: High density networks, High efficiency networks, OFDMA, MU-MIMO, QoS, Power saving

HaLow Wi-Fi performance in multiusers and channels environment with MATLAB Simulink

HaLow Wi-Fi (IEEE 802.11ah) wireless networking standard. As opposed to 2.4 GHz and 5 GHz-based conventional Wi-Fi networks, it leverages 900 MHz frequencies license-exempt for enabling networks Wi-Fi with a longer range. Lower energy usage makes it possible to build extensive networks of sensors or stations that work together to communicate signals, which is another advantage. In this paper IEEE 802.11ah Wi-Fi system design and implemented using MATLAB Simulink and tested under multiusers and channels environment in terms of Spectrum analyzer and constellation Diagram where 4 users, 2 MHz and 4 MHz channels bandwidth used to perfume the test also power of coarse synchronization, fine synchronization and initial channel estimation, to make Wi-Fi networks with a greater range possible were illustrated in space time stream

Survey on wireless technology trade-offs for the industrial internet of things

Aside from vast deployment cost reduction, Industrial Wireless Sensor and Actuator Networks (IWSAN) introduce a new level of industrial connectivity. Wireless connection of sensors and actuators in industrial environments not only enables wireless monitoring and actuation, it also enables coordination of production stages, connecting mobile robots and autonomous transport vehicles, as well as localization and tracking of assets. All these opportunities already inspired the development of many wireless technologies in an effort to fully enable Industry 4.0. However, different technologies significantly differ in performance and capabilities, none being capable of supporting all industrial use cases. When designing a network solution, one must be aware of the capabilities and the trade-offs that prospective technologies have. This paper evaluates the technologies potentially suitable for IWSAN solutions covering an entire industrial site with limited infrastructure cost and discusses their trade-offs in an effort to provide information for choosing the most suitable technology for the use case of interest. The comparative discussion presented in this paper aims to enable engineers to choose the most suitable wireless technology for their specific IWSAN deployment