Guest editorial distributed broadband wireless communications

The impetus for this special issue has been spurred by new technical trends in wireless communication and the need for high bit rate ( 1Gbit/s) services in future wireless systems. However, due to the limited transmit power, the wireless transmission distance cannot be too large if the data rate is very high. (...)

Dependable wireless real-time communications for open environments

Wireless communication technologies have become widely adopted, appearing in heterogeneous applications ranging from tracking victims, responders and equipments in disaster scenarios to machine health monitoring in networked manufacturing systems. Very often, applications demand a strictly bounded timing response, which, in distributed systems, is generally highly dependent on the performance of the underlying communication technology. These systems are said to have real-time timeliness requirements since data communication must be conducted within predefined temporal bounds, whose unfulfillment may compromise the correct behavior of the system and cause economic losses or endanger human lives. The potential adoption of wireless technologies for an increasingly broad range of application scenarios has made the operational requirements more complex and heterogeneous than before for wired technologies. On par with this trend, there is an increasing demand for the provision of cost-effective distributed systems with improved deployment, maintenance and adaptation features. These systems tend to require operational flexibility, which can only be ensured if the underlying communication technology provides both time and event triggered data transmission services while supporting on-line, on-the-fly parameter modification. Generally, wireless enabled applications have deployment requirements that can only be addressed through the use of batteries and/or energy harvesting mechanisms for power supply. These applications usually have stringent autonomy requirements and demand a small form factor, which hinders the use of large batteries. As the communication support may represent a significant part of the energy requirements of a station, the use of power-hungry technologies is not adequate. Hence, in such applications, low-range technologies have been widely adopted. In fact, although low range technologies provide smaller data rates, they spend just a fraction of the energy of their higher-power counterparts. The timeliness requirements of data communications, in general, can be met by ensuring the availability of the medium for any station initiating a transmission. In controlled (close) environments this can be guaranteed, as there is a strict regulation of which stations are installed in the area and for which purpose. Nevertheless, in open environments, this is hard to control because no a priori abstract knowledge is available of which stations and technologies may contend for the medium at any given instant. Hence, the support of wireless real-time communications in unmanaged scenarios is a highly challenging task. Wireless low-power technologies have been the focus of a large research effort, for example, in the Wireless Sensor Network domain. Although bringing extended autonomy to battery powered stations, such technologies are known to be negatively influenced by similar technologies contending for the medium and, especially, by technologies using higher power transmissions over the same frequency bands. A frequency band that is becoming increasingly crowded with competing technologies is the 2.4 GHz Industrial, Scientific and Medical band, encompassing, for example, Bluetooth and ZigBee, two lowpower communication standards which are the base of several real-time protocols. Although these technologies employ mechanisms to improve their coexistence, they are still vulnerable to transmissions from uncoordinated stations with similar technologies or to higher power technologies such as Wi- Fi, which hinders the support of wireless dependable real-time communications in open environments. The Wireless Flexible Time-Triggered Protocol (WFTT) is a master/multi-slave protocol that builds on the flexibility and timeliness provided by the FTT paradigm and on the deterministic medium capture and maintenance provided by the bandjacking technique. This dissertation presents the WFTT protocol and argues that it allows supporting wireless real-time communication services with high dependability requirements in open environments where multiple contention-based technologies may dispute the medium access. Besides, it claims that it is feasible to provide flexible and timely wireless communications at the same time in open environments. The WFTT protocol was inspired on the FTT paradigm, from which higher layer services such as, for example, admission control has been ported. After realizing that bandjacking was an effective technique to ensure the medium access and maintenance in open environments crowded with contention-based communication technologies, it was recognized that the mechanism could be used to devise a wireless medium access protocol that could bring the features offered by the FTT paradigm to the wireless domain. The performance of the WFTT protocol is reported in this dissertation with a description of the implemented devices, the test-bed and a discussion of the obtained results.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Performance analysis of 4G wireless networks using system level simulator

In the last decade, mobile wireless communications have witnessed an explosive growth in the user’s penetration rate and their widespread deployment around the globe. In particular, a research topic of particular relevance in telecommunications nowadays is related to the design and implementation of mobile communication systems of 4th generation (4G). 4G networks will be characterized by the support of multiple radio access technologies in a core network fully compliant with the Internet Protocol (all IP paradigms). Such networks will sustain the stringent quality of service (QoS) requirements and the expected high data rates from the type of multimedia applications (i.e. YouTube and Skype) to be available in the near future. Therefore, 4G wireless communications system will be of paramount importance on the development of the information society in the near future. As 4G wireless services will continue to increase, this will put more and more pressure on the spectrum availability. There is a worldwide recognition that methods of spectrum managements have reached their limit and are no longer optimal, therefore new paradigms must be sought. Studies show that most of the assigned spectrum is under-utilized, thus the problem in most cases is inefficient spectrum management rather spectrum shortage. There are currently trends towards a more liberalized approach of spectrum management, which are tightly linked to what is commonly termed as Cognitive Radio (CR). Furthermore, conventional deployment of 4G wireless systems (one BS in cell and mobile deploy around it) are known to have problems in providing fairness (users closer to the BS are more benefited relatively to the cell edge users) and in covering some zones affected by shadowing, therefore the use of relays has been proposed as a solution. To evaluate and analyse the performances of 4G wireless systems software tools are normally used. Software tools have become more and more mature in recent years and their need to provide a high level evaluation of proposed algorithms and protocols is now more important. The system level simulation (SLS) tools provide a fundamental and flexible way to test all the envisioned algorithms and protocols under realistic conditions, without the need to deal with the problems of live networks or reduced scope prototypes. Furthermore, the tools allow network designers a rapid collection of a wide range of performance metrics that are useful for the analysis and optimization of different algorithms. This dissertation proposes the design and implementation of conventional system level simulator (SLS), which afterwards enhances for the 4G wireless technologies namely cognitive Radios (IEEE802.22) and Relays (IEEE802.16j). SLS is then used for the analysis of proposed algorithms and protocols.

Characterization and modelling of software defined radio front-ends

O presente trabalho tem por objectivo estudar a caracterização e modelação de arquitecturas de rádio frequência para aplicações em rádios definidos por software e rádios cognitivos. O constante aparecimento no mercado de novos padrões e tecnologias para comunicações sem fios têm levantado algumas limitações à implementação de transceptores rádio de banda larga. Para além disso, o uso de sistemas reconfiguráveis e adaptáveis baseados no conceito de rádio definido por software e rádio cognitivo assegurará a evolução para a próxima geração de comunicações sem fios. A ideia base desta tese passa por resolver alguns problemas em aberto e propor avanços relevantes, tirando para isso partido das capacidades providenciadas pelos processadores digitais de sinal de forma a melhorar o desempenho global dos sistemas propostos. Inicialmente, serão abordadas várias estratégias para a implementação e projecto de transceptores rádio, concentrando-se sempre na aplicabilidade específica a sistemas de rádio definido por software e rádio cognitivo. Serão também discutidas soluções actuais de instrumentação capaz de caracterizar um dispositivo que opere simultaneamente nos domínios analógico e digital, bem como, os próximos passos nesta área de caracterização e modelação. Além disso, iremos apresentar novos formatos de modelos comportamentais construídos especificamente para a descrição e caracterização não-linear de receptores de amostragem passa-banda, bem como, para sistemas nãolineares que utilizem sinais multi-portadora. Será apresentada uma nova arquitectura suportada na avaliação estatística dos sinais rádio que permite aumentar a gama dinâmica do receptor em situações de multi-portadora. Da mesma forma, será apresentada uma técnica de maximização da largura de banda de recepção baseada na utilização do receptor de amostragem passa-banda no formato complexo. Finalmente, importa referir que todas as arquitecturas propostas serão acompanhadas por uma introdução teórica e simulações, sempre que possível, sendo após isto validadas experimentalmente por protótipos laboratoriais.

Reconfigurable transmitters for software-defined radios

Flexible radio transmitters based on the Software-Defined Radio (SDR) concept are gaining an increased research importance due to the unparalleled proliferation of new wireless standards operating at different frequencies, using dissimilar coding and modulation schemes, and targeted for different ends. In this new wireless communications paradigm, the physical layer of the radio transmitter must be able to support the simultaneous transmission of multi-band, multi-rate, multi-standard signals, which in practice is very hard or very inefficient to implement using conventional approaches. Nevertheless, the last developments in this field include novel all-digital transmitter architectures where the radio datapath is digital from the baseband up to the RF stage. Such concept has inherent high flexibility and poses an important step towards the development of SDR-based transmitters. However, the truth is that implementing such radio for a real world communications scenario is a challenging task, where a few key limitations are still preventing a wider adoption of this concept. This thesis aims exactly to address some of these limitations by proposing and implementing innovative all-digital transmitter architectures with inherent higher flexibility and integration, and where improving important figures of merit, such as coding efficiency, signal-to-noise ratio, usable bandwidth and in-band and out-of-band noise will also be addressed. In the first part of this thesis, the concept of transmitting RF data using an entirely digital approach based on pulsed modulation is introduced. A comparison between several implementation technologies is also presented, allowing to state that FPGAs provide an interesting compromise between performance, power efficiency and flexibility, thus making them an interesting choice as an enabling technology for pulse-based all-digital transmitters. Following this discussion, the fundamental concepts inherent to pulsed modulators, its key advantages, main limitations and typical enhancements suitable for all-digital transmitters are also presented. The recent advances regarding the two most common classes of pulse modulated transmitters, namely the RF and the baseband-level are introduced, along with several examples of state-of-the-art architectures found on the literature. The core of this dissertation containing the main developments achieved during this PhD work is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art presented here consists in the development of a novel ΣΔ-based all-digital transmitter architecture capable of multiband and multi-standard data transmission in a very flexible and integrated way, where the pulsed RF output operating in the microwave frequency range is generated inside a single FPGA device. A fundamental contribution regarding the simultaneous transmission of multiple RF signals is then introduced by presenting and describing novel all-digital transmitter architectures that take advantage of multi-gigabit data serializers available on current high-end FPGAs in order to transmit in a time-interleaved approach multiple independent RF carriers. Further improvements in this design approach allowed to provide a two-stage up-conversion transmitter architecture enabling the fine frequency tuning of concurrent multichannel multi-standard signals. Finally, further improvements regarding two key limitations inherent to current all-digital transmitter approaches are then addressed, namely the poor coding efficiency and the combined high quality factor and tunability requirements of the RF output filter. The followed design approach based on poliphase multipath circuits allowed to create a new FPGA-embedded agile transmitter architecture that significantly improves important figures of merit, such as coding efficiency and SNR, while maintains the high flexibility that is required for supporting multichannel multimode data transmission.

Nonlinear distortion generation mechanisms in Doherty amplifiers

Nowadays, wireless communications systems demand for greater mobility and higher data rates. Moreover, the need for spectral efficiency requires the use of non-constant envelope modulation schemes. Hence, power amplifier designers have to build highly efficient, broadband and linear amplifiers. In order to fulfil these strict requirements, the practical Doherty amplifier seems to be the most promising technique. However, due to its complex operation, its nonlinear distortion generation mechanisms are not yet fully understood. Currently, only heuristic interpretations are being used to justify the observed phenomena. Therefore, the main objective of this work is to provide a model capable of describing the Doherty power amplifier nonlinear distortion generation mechanisms, allowing the optimization of its design according to linearity and efficiency criteria. Besides that, this approach will allow a bridge between two different worlds: power amplifier design and digital pre-distortion since the knowledge gathered from the Doherty operation will serve to select the most suitable pre-distortion models.

Cooperative communications in multi-rate IEEE 802.11 networks

Esta tese apresenta um estudo sobre alguns dos protocolos de cooperação MAC para redes sem fios utilizando o sistema IEEE 802.11 multi-débito. É proposto um novo modelo de arquitetura para a categorização e análise da cooperação em redes sem fios, tendo este modelo sido aplicado a protocolos cooperativos existentes para camada MAC. É investigado como as características do meio físico, assim como os requisitos de níveis superiores podem ser aplicados ao processo de cooperação, com vista a melhorar as características de funcionamento da rede de comunicações. Para este propósito são exploradas as métricas mais relevantes para o processo de cooperação. São igualmente estudados os limites impostos pelos protocolos da camada MAC e as limitações práticas impostas por protocolos da família de normas que compõem o IEEE 802.11. Neste trabalho foi criada uma métrica multicamada, que permite considerar os requisitos aplicacionais de performance e o tipo de tráfego, assim como a mobilidade dos dispositivos, no funcionamento dos mecanismos de cooperação. Como forma de validação, e para corretamente avaliar o impacto da métrica, um novo protocolo de cooperação foi desenvolvido e implementado. O seu funcionamento é descrito de forma analítica assim como validado através de a um ambiente de simulação. Os resultados obtidos mostram que a utilização de uma métrica multicamada é uma técnica robusta, fornecendo melhorias consistentes no contexto de redes IEEE 802.11. São igualmente demonstradas várias outras características de funcionamento com impacto para as comunicações. Estes dados fornecem uma visão real e encorajadora para a realização de mais pesquisas para a melhoria da performance dos protocolos cooperativos, assim como a sua utilização num variado número de aplicações futuras. No final do documento são apresentados alguns desafios para a continuação da investigação deste tópico.

Design and performance of wireless cooperative relaying

In recent years, a new paradigm for communication called cooperative communications has been proposed for which initial information theoretic studies have shown the potential for improvements in capacity over traditional multi-hop wireless networks. Extensive research has been done to mitigate the impact of fading in wireless networks, being mostly focused on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems. Recently, cooperative relaying techniques have been investigated to increase the performance of wireless systems by using diversity created by different single antenna devices, aiming to reach the same level of performance of MIMO systems with low cost devices. Cooperative communication is a promising method to achieve high spectrum efficiency and improve transmission capacity for wireless networks. Cooperative communications is the general idea of pooling the resources of distributed nodes to improve the overall performance of a wireless network. In cooperative networks the nodes cooperate to help each other. A cooperative node offering help is acting like a middle man or proxy and can convey messages from source to destination. Cooperative communication involves exploiting the broadcast nature of the wireless medium to form virtual antenna arrays out of independent singleantenna network nodes for transmission. This research aims at contributing to the field of cooperative wireless networks. The focus of this research is on the relay-based Medium Access Control (MAC) protocol. Specifically, I provide a framework for cooperative relaying called RelaySpot which comprises on opportunistic relay selection, cooperative relay scheduling and relay switching. RelaySpot-based solutions are expected to minimize signaling exchange, remove estimation of channel conditions, and improve the utilization of spatial diversity, minimizing outage and increasing reliability.

Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.