Diseño y evaluación de nuevas formas e onda para comunicaciones de alta movilidad

Abstract

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