Channel Impulse Response Estimation in IEEE 802.11p via Data Fusion and MMSE Estimator

Tracking the channel impulse response in systems based on the IEEE 802.11p standard, the most widely accepted standard for the physical layer in vehicular area networks (VANETs), is still an open research topic. In this paper we aim to improve previously proposed channel estimators by utilizing data aided algorithm that includes the channel decoding to enhance the quality of the estimated data. Moreover we propose a novel technique that exploits information provided by external sensors like GPS or speedometer, usually present in vehicles. The algorithm proposed so far has been analyzed in non-line-of-sight link conditions; in this paper we present an analysis of performances in the line-of-sight condition as well. Simulations show that both proposals give considerable improvements in terms of packet error rate and channel estimation error in the highway scenario which is surely the most stressing environment for the channel response tracker

Internet of things and vehicles in the context of 5G

In these years we are experiencing an incredible explosion for mobile connectivity. Devices such as smart-phones, tablets and laptops are more and more data hungry, asking for faster and faster connections. In the meantime, many industry sectors are pushing mobile network operators to provide internet connectivity with different characteristics for a new set of machine-driven applications. Machine-to-machine (M2M) or machine type communications (MTC), is the new paradigm: lower latencies, lower energy consumption, less signalling, higher reliability, are only few of new requirements. MTC devices will become a massive presence in tomorrow mobile networks and finally the Internet of Things will become real in its entirety. Although still under constant update, the current 4G mobile networks have some limitations due to their intrinsic architecture. A newer disruptive mobile network generation is the only possible solution to satisfy the future demands for connectivity. While within the so-called 5G networks, many new technologies are under study, focusing on reaching higher point-to-point data-rates, one of the most important aspects of 5G is the support for MTC. In this thesis different aspects of M2M communications are taken into account. Inter-vehicular communications and the IEEE 802.11p protocol for vehicular ad-hoc networks are analysed. In particular the IEEE 802.11p shortcomings on channel response estimation and channel access are taken into consideration. The physical layer of the IEEE 802.11p protocol does not provide sufficient information to track the channel response; we propose a novel technique that exploits information provided by in-car sensors like GPS or speedometer to improve channel response tracking. Current protocols for vehicular direct communications considers the concurrent use of more than one radio channel at the same time, and leave to terminals the duty of choosing which channel to use. In this thesis we consider the most common channel occupancy detectors, derived by the cognitive radio theory, in a vehicular environment, and measure their performances in terms of probability of misdetection and detection delay. In the field of MTC, we present out implementation of an IETF IPv6-6LoWPAN protocol stack for resource-constrained devices. The stack provides the minimum requirements for these devices to support IPv6-based connectivity. The architecture is organized to decouple the stack from the data-link protocol and to seamlessly manage more than one radio access technology interface present in the device. Our tests show an increase in the final throughput respect to the other most known implementation, thanks to a memory usage optimization. Finally 5G networks and green communications are considered in this thesis. In particular we analyse HARQ protocols, largely used in modern wireless protocols, in terms of energy efficiency. We use the recent theory on channel coding in finite block-length regime by Polyanskiy-Poor-Verdù, the most appropriate in MTC scenarios, as starting point to find the analytic formula of the outage probability for HARQ protocols of Type-I and Type-II. We then propose a novel optimal allocation strategy for the transmitting power of the subsequent transmission attempts. Results show the outstanding performances in terms of energy saved that even the simplest combining techniques that such protocols use, could bring into play.Negli ultimi anni si sta assistendo ad un’esplosione nella domanda di connettività in mobilità. Dispositivi quali smartphone, tablet e laptop offrono funzionalità e servizi sempre più basati sulla disponibilità di una connessione sempre attiva. Allo stesso modo, sempre più settori dell’industria premono gli operatori di rete mobile, chiedendo connettività per una nuova classe di dispositivi che rientrano nella categoria del Machine-Type-Communication. Coi termini Machine-Type-Communication (MTC) o Machine-2-Machine (M2M) si indica un paradigma con il quale si identificano una pletora di nuovi servizi di connettività in cui vincoli sulla latenza, disponibilità, affidabilità, consumo energetico della connessione sono più stringenti e meglio definiti. Le MTC diventeranno in un futuro prossimo una presenza massiva nelle reti cellulari, dando vita finalmente al mondo globalmente interconnesso descritto dal paradigma dell’Internet delle Cose. Sebbene in costante evoluzione e aggiornamento l’attuale generazione di rete mobile 4G ha alcune limitazioni intrinseche che rendono necessario un ulteriore salto generazionale ad una rete 5G di nuova concezione, come unica soluzione percorribile per soddisfare la crescente domanda di connettività. Nonostante in letteratura la maggior parte delle nuove soluzioni tecnologiche proposte hanno come obiettivo il raggiungimento di connessioni più veloci, uno degli aspetti più importanti del 5G e il pieno supporto alle MTC. In questa tesi vengono presi in esame alcuni aspetti delle comunicazioni M2M. In primo luogo si prendono in considerazione le reti veicolari, nello specifico si affrontano alcune criticita dell’attuale protocollo per reti wireless ad-hoc tra veicoli, il protocollo IEEE 802.11p, perciò che riguarda la stima del canale radio e il meccanismo di accesso al mezzo. Il livello fisico del protocollo non fornisce sufficienti risorse per permettere il tracking delle fluttuazioni del canale radio, qui proponiamo una tecnica innovativa che sfrutta informazioni aggiuntive provenienti da sensori e sistemi elettronici, di cui le moderne auto sono dotate, per migliorare il tracking del canale radio. Gli attuali protocolli per le reti veicolari prevedono l’uso concorrente di più canali radio, e lasciano totale libertà ai terminali sui metodi di scelta del canale radio da utilizzare. In questo lavoro, vengono presi in esame alcuni tra i più comuni rilevatori di occupazione del canale radio, mutuati dalla teoria del “cognitive radio”, e ne vengono analizzate le performance in termini di probabilità di mancata rilevazione e ritardo di rilevazione in ambiente veicolare. Nel campo delle MTC, presentiamo l’implementazione di uno stack protocollare IETF IPv6-6LoWPAN, realizzato per permettere a dispositivi low-cost con risorse limitate, di supportare comunicazioni su rete IPv6. L’architettura dello stack stata progettata allo scopo di disaccoppiare le funzionalità dello stack dal particolare protocollo data-link utilizzato, e di supportare dispositivi equipaggiati con più moduli per la comunicazione wireless. I test comparativi dimostrano un throughput maggiore rispetto all’implementazione più conosciuta del protocollo IPv6 per questi dispositivi. In conclusione, sono messi in relazione le reti 5G e il paradigma delle green communication. I protocolli di tipo Automatic Repeat reQuest (ARQ) ibrido, largamente usati nelle moderne reti cellulari, vengono analizzati in termini di efficienza energetica usando i recenti risultati di Polyanskiy-Poor-Verdù sulla capacità di canale in regime di parola di codice di lunghezza finita. Tale teoria affronta l’analisi della capacità di correzione dei codici di canale a fronte di una parola di codice di lunghezza finita, teoria che si concilia con la natura delle reti MTC. L’analisi propone inoltre, una tecnica di ottimizzazione della potenza trasmissiva nelle ritrasmissioni dei protocolli HARQ di tipo Type-I e Type-II. L’analisi mostra i risultati ottenuti in termini di probabilità di outage finale e di risparmio energetico ottenuto

Internet of things and vehicles in the context of 5G

In these years we are experiencing an incredible explosion for mobile connectivity. Devices such as smart-phones, tablets and laptops are more and more data hungry, asking for faster and faster connections. In the meantime, many industry sectors are pushing mobile network operators to provide internet connectivity with different characteristics for a new set of machine-driven applications. Machine-to-machine (M2M) or machine type communications (MTC), is the new paradigm: lower latencies, lower energy consumption, less signalling, higher reliability, are only few of new requirements. MTC devices will become a massive presence in tomorrow mobile networks and finally the Internet of Things will become real in its entirety. Although still under constant update, the current 4G mobile networks have some limitations due to their intrinsic architecture. A newer disruptive mobile network generation is the only possible solution to satisfy the future demands for connectivity. While within the so-called 5G networks, many new technologies are under study, focusing on reaching higher point-to-point data-rates, one of the most important aspects of 5G is the support for MTC. In this thesis different aspects of M2M communications are taken into account. Inter-vehicular communications and the IEEE 802.11p protocol for vehicular ad-hoc networks are analysed. In particular the IEEE 802.11p shortcomings on channel response estimation and channel access are taken into consideration. The physical layer of the IEEE 802.11p protocol does not provide sufficient information to track the channel response; we propose a novel technique that exploits information provided by in-car sensors like GPS or speedometer to improve channel response tracking. Current protocols for vehicular direct communications considers the concurrent use of more than one radio channel at the same time, and leave to terminals the duty of choosing which channel to use. In this thesis we consider the most common channel occupancy detectors, derived by the cognitive radio theory, in a vehicular environment, and measure their performances in terms of probability of misdetection and detection delay. In the field of MTC, we present out implementation of an IETF IPv6-6LoWPAN protocol stack for resource-constrained devices. The stack provides the minimum requirements for these devices to support IPv6-based connectivity. The architecture is organized to decouple the stack from the data-link protocol and to seamlessly manage more than one radio access technology interface present in the device. Our tests show an increase in the final throughput respect to the other most known implementation, thanks to a memory usage optimization. Finally 5G networks and green communications are considered in this thesis. In particular we analyse HARQ protocols, largely used in modern wireless protocols, in terms of energy efficiency. We use the recent theory on channel coding in finite block-length regime by Polyanskiy-Poor-Verdù, the most appropriate in MTC scenarios, as starting point to find the analytic formula of the outage probability for HARQ protocols of Type-I and Type-II. We then propose a novel optimal allocation strategy for the transmitting power of the subsequent transmission attempts. Results show the outstanding performances in terms of energy saved that even the simplest combining techniques that such protocols use, could bring into play.Negli ultimi anni si sta assistendo ad un’esplosione nella domanda di connettività in mobilità. Dispositivi quali smartphone, tablet e laptop offrono funzionalità e servizi sempre più basati sulla disponibilità di una connessione sempre attiva. Allo stesso modo, sempre più settori dell’industria premono gli operatori di rete mobile, chiedendo connettività per una nuova classe di dispositivi che rientrano nella categoria del Machine-Type-Communication. Coi termini Machine-Type-Communication (MTC) o Machine-2-Machine (M2M) si indica un paradigma con il quale si identificano una pletora di nuovi servizi di connettività in cui vincoli sulla latenza, disponibilità, affidabilità, consumo energetico della connessione sono più stringenti e meglio definiti. Le MTC diventeranno in un futuro prossimo una presenza massiva nelle reti cellulari, dando vita finalmente al mondo globalmente interconnesso descritto dal paradigma dell’Internet delle Cose. Sebbene in costante evoluzione e aggiornamento l’attuale generazione di rete mobile 4G ha alcune limitazioni intrinseche che rendono necessario un ulteriore salto generazionale ad una rete 5G di nuova concezione, come unica soluzione percorribile per soddisfare la crescente domanda di connettività. Nonostante in letteratura la maggior parte delle nuove soluzioni tecnologiche proposte hanno come obiettivo il raggiungimento di connessioni più veloci, uno degli aspetti più importanti del 5G e il pieno supporto alle MTC. In questa tesi vengono presi in esame alcuni aspetti delle comunicazioni M2M. In primo luogo si prendono in considerazione le reti veicolari, nello specifico si affrontano alcune criticita dell’attuale protocollo per reti wireless ad-hoc tra veicoli, il protocollo IEEE 802.11p, perciò che riguarda la stima del canale radio e il meccanismo di accesso al mezzo. Il livello fisico del protocollo non fornisce sufficienti risorse per permettere il tracking delle fluttuazioni del canale radio, qui proponiamo una tecnica innovativa che sfrutta informazioni aggiuntive provenienti da sensori e sistemi elettronici, di cui le moderne auto sono dotate, per migliorare il tracking del canale radio. Gli attuali protocolli per le reti veicolari prevedono l’uso concorrente di più canali radio, e lasciano totale libertà ai terminali sui metodi di scelta del canale radio da utilizzare. In questo lavoro, vengono presi in esame alcuni tra i più comuni rilevatori di occupazione del canale radio, mutuati dalla teoria del “cognitive radio”, e ne vengono analizzate le performance in termini di probabilità di mancata rilevazione e ritardo di rilevazione in ambiente veicolare. Nel campo delle MTC, presentiamo l’implementazione di uno stack protocollare IETF IPv6-6LoWPAN, realizzato per permettere a dispositivi low-cost con risorse limitate, di supportare comunicazioni su rete IPv6. L’architettura dello stack stata progettata allo scopo di disaccoppiare le funzionalità dello stack dal particolare protocollo data-link utilizzato, e di supportare dispositivi equipaggiati con più moduli per la comunicazione wireless. I test comparativi dimostrano un throughput maggiore rispetto all’implementazione più conosciuta del protocollo IPv6 per questi dispositivi. In conclusione, sono messi in relazione le reti 5G e il paradigma delle green communication. I protocolli di tipo Automatic Repeat reQuest (ARQ) ibrido, largamente usati nelle moderne reti cellulari, vengono analizzati in termini di efficienza energetica usando i recenti risultati di Polyanskiy-Poor-Verdù sulla capacità di canale in regime di parola di codice di lunghezza finita. Tale teoria affronta l’analisi della capacità di correzione dei codici di canale a fronte di una parola di codice di lunghezza finita, teoria che si concilia con la natura delle reti MTC. L’analisi propone inoltre, una tecnica di ottimizzazione della potenza trasmissiva nelle ritrasmissioni dei protocolli HARQ di tipo Type-I e Type-II. L’analisi mostra i risultati ottenuti in termini di probabilità di outage finale e di risparmio energetico ottenuto

IPv6 implementation with 6lowPAN adaptation layer for wireless sensor networks: analysis, development and experimentation

In questo lavoro di tesi è stato sviluppato uno stack protocollare basato su IPv6 per il sistema operativo TinyOS nell'ambito delle reti di sensori wireless. Lo stack protocollare utilizza come layer di adattamento tra il protocollo data-link IEEE 802.15.4 e lo standard IPv6, il nuovo standard 6lowPAN. Nello stack protocollare sviluppato sono state implementate soltanto le procedure di compressione e decompressione dell'header IPv6 standard specificate nel draft hc-15 e le procedure di frammentazione e deframmentazione dei pacchetti IPv6 spiegate nell' RFC 494

On the performance of channel occupancy detectors for Vehicular Ad-Hoc networks

Vehicular networking is becoming an actual disruptive technology which is going to improve, first of all, the overall safety as well as the the driving experience. The standardization efforts are almost completed and the first implementation issues are becoming real. Despite the fact that the physical layer is very similar to the one of the Wi-fi standards, while the classical Wi-fi standards which use crowded 2.4 GHz ISM band, vehicular networking uses the 5.9 GHz band. This advantage however entails a series of issues to reach the best throughput performances and, at the same time, maximize benefits from the vehicular mobility safety point of view. One of the major issue is how to detect and map channels occupancy to take then the best decisions when choosing in which channel transmitting the different messages. In this paper we simulate the most common cognitive channel detectors in vehicular scenarios; considering several channel models, we evaluate the detectors performances in terms of probability of misdetection and detection delay. The obtained results show that in case of short messages, the fastest and most reliable detector is also the simplest one i.e. the energy sensing detector

A Comparison of Energy-Efficient HARQ Protocols for M2M Communication in the Finite Block-Length Regime

Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) techniques are largely used in the context of wireless communications systems especially in the last few years, being employed in the latest cellular systems, including the Long Term Evolution (LTE) standard. Such schemes have been widely studied in literature; however, in this paper we are interested in applying the results of Polyanskiy-Poor-Verdù on the finite block-length regime, comparing the performance of Type-I and Type-II HARQ schemes in the context of green communication, i.e., in a scenario in which the energy efficiency is a key performance indicator. A prominent example of this context is the Machine-to-Machine (M2M) communication, which is foreseen to play a fundamental role as an enabler of the Internet of Things (IoT) paradigm. We derive a novel, optimal, power allocation strategy and we provide simulation results showing that a minimum 40% energy saving can be achieved if we enable packet combining at the receiver side

Interoperable and globally interconnected Smart Grid using IPv6 and 6LoWPAN

The general feeling about ecology is changing worldwide. People all around the world are more careful about problems such as energy provisioning and consumption. New ideas, such as the Smart Grid concept, are trying to give solutions to the energy problems by means of a modern power grid with intelligent management capabilities. In such scenarios, networking solutions, e.g., the Internet Protocol version 6 (IPv6), will allow appliances to be remotely coordinated in order to optimize the total power consumption, and balance the power demand. This paper presents an innovative implementation of the IPv6 stack over the 6LoWPAN adaptation layer. Our 6LoWPAN implementation aims to provide a support platform for IPv6 over interoperable constrained-resources devices, such as those embedded in the electrical appliances. Our main goals are to optimize the memory management and to address the portability problems of the stack. In particular we want to develop a stack which is not tied to a particular data-link protocol. Comparison with existing solutions is also provided