Bandwidth management of WiMAX systems and performance modeling

WiMAX has been introduced as a competitive alternative for metropolitan broadband wireless access technologies. It is connection oriented and it can provide very high data rates, large service coverage, and flexible quality of services (QoS). Due to the large number of connections and flexible QoS supported by WiMAX, the uplink access in WiMAX networks is very challenging since the medium access control (MAC) protocol must efficiently manage the bandwidth and related channel allocations. In this paper, we propose and investigate a cost-effective WiMAX bandwidth management scheme, named the WiMAX partial sharing scheme (WPSS), in order to provide good QoS while achieving better bandwidth utilization and network throughput. The proposed bandwidth management scheme is compared with a simple but inefficient scheme, named the WiMAX complete sharing scheme (WCPS). A maximum entropy (ME) based analytical model (MEAM) is proposed for the performance evaluation of the two bandwidth management schemes. The reason for using MEAM for the performance evaluation is that MEAM can efficiently model a large-scale system in which the number of stations or connections is generally very high, while the traditional simulation and analytical (e.g., Markov models) approaches cannot perform well due to the high computation complexity. We model the bandwidth management scheme as a queuing network model (QNM) that consists of interacting multiclass queues for different service classes. Closed form expressions for the state and blocking probability distributions are derived for those schemes. Simulation results verify the MEAM numerical results and show that WPSS can significantly improve the network's performance compared to WCPS.

Estudo comparativo entre sistemas RoF com modulação directa e com modulação externa

O RoF (Radio over Fiber) é uma tecnologia que permite a transmissão de sinais rádio de elevada largura de banda, fornecida pela fibra óptica, e simultaneamente mantêm a característica de mobilidade das redes de comunicação móvel. Esta dissertação de mestrado tem como objectivo estudar, simular e comparar sistemas RoF com modulação directa e com modulação externa, utilizando um sinal WiMAX, por ser uma tecnologia recente e com potencial de utilização futura. Desta forma foram avaliados três tipos de moduladores externos, sendo que o modulador EA (Electro-Absorption) é o que permite obter melhores valores de EVM e de SNR devido ao facto deste ter menores perdas de inserção na fibra. Da comparação entre o esquema com modulação directa e o esquema com modulação externa, é possível concluir que para larguras de banda mais baixas a utilização de modulação directa é mais eficiente que a modulação externa, mas à medida que a largura de banda aumenta a modulação externa apresenta claramente melhor desempenho. Isto deve-se ao facto de a modulação directa produzir mais chirp que a modulação externa, sendo que o chirp limita a largura de banda e o comprimento da fibra. De forma a melhorar o desempenho do sistema com modulação directa foi introduzido uma fibra com compensação de dispersão. Foi possível concluir que a utilização de fibra com compensação de dispersão é uma boa solução quando se pretende transmitir sinais de elevada largura de banda em esquemas com modulação directa.

Distribuição de sinais rádio e vídeo sobre fibra

As comunicações ópticas e as comunicações sem fios têm sofrido uma grande evolução ao longo das últimas décadas. Com o objectivo de juntar as vantagens de cada um dos sistemas surgiu o que se designa por rádio sobre fibra. Este sistema permite centralizar todo o processamento necessário num só local, na estação central, simplificando assim a estação base. Esta simplificação permite reduzir os custos de implementação e torna o sistema menos complexo. Esta dissertação de mestrado tem como objectivo principal estudar e simular um sistema que permite o envio de sinais vídeo e rádio pela fibra óptica para posterior difusão, utilizando o conceito de rádio sobre fibra. Os sinais enviados foram o LTE (Long Term Evolution), o UWB (Ultra WideBand) e o WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). O primeiro disponibiliza o serviço de voz, o segundo disponibiliza o serviço de televisão e o último dá suporte à internet. Estes sinais foram modulados em OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), porque, posteriormente, estes sinais vão ser difundidos num ambiente sem fios e este tipo de modulação minimiza o efeito de multipercurso e da interferência intersimbólica. Com este estudo pretende-se verificar qual a viabilidade de um sistema que permite o envio de três sinais distintos simultaneamente (serviço Triple Play). Ao analisar os resultados deste sistema concluiu-se que a sua aplicabilidade pode apresentar algumas limitações, dependendo do tipo de modulação e do tipo de modulador que se utilize. Os moduladores ópticos utilizados foram o MZ (Mach-Zehnder) e o EA (Electro-Absorption). A qualidade do sinal recebido foi analisada com base no valor de EVM (Error Vector Magnitude). O primeiro modulador foi aquele que apresentou mais limitações, pois o desempenho do sistema é comprometido para distâncias superiores a 40 km e para potências de entrada inferiores a 0 dBm. Este tipo de sistema apresenta um EVM mais baixo quando a potência de entrada utilizada está entre 0 e 6 dBm. Se o modulador utilizado for o EA, o sistema apresenta um EVM mais baixo quando se utiliza um índice de modulação entre 20% e 30%, para uma potência de entrada entre 0 e 2 dBm.

Estudo de viabilidade de utilização de VLC em infra-estruturas ITS baseadas em semáforos rodoviários a LEDs

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

CANDi: context-aware node discovery for short-range cooperation

Multi-standard mobile devices are allowing users to enjoy higher data rates with ubiquitous connectivity. However, the benefits gained from multiple interfaces come at an expense—that being higher energy consumption in an era where mobile devices need to be energy compliant. One promising solution is the usage of short-range cooperative communication as an overlay for infrastructure-based networks taking advantage of its context information. However, the node discovery mechanism, which is pivotal to the bearer establishment process, still represents a major burden in terms of the total energy budget. In this paper, we propose a technology agnostic approach towards enhancing the MAC energy ratings by presenting a context-aware node discovery (CANDi) algorithm, which provides a priori knowledge towards the node discovery mechanism by allowing it to search nodes in the near vicinity at the ‘right time and at the right place’. We describe the different beacons required for establishing the cooperation, as well as the context information required, including battery level, modes, location and so on. CANDi uses the long-range network (WiMAX and WiFi) to distribute the context information about cooperative clusters (Ultra-wideband-based) in the vicinity. The searching nodes can use this context in locating the cooperative clusters/nodes, which facilitates the establishing of short-range connections. Analytical and simulation results are obtained, and the energy saving gains are further demonstrated in the laboratory using a customised testbed. CANDi saves up to 50% energy during the node discovery process, while the demonstrative testbed shows up to 75% savings in the total energy budget, thus validating the algorithm, as well as providing viable evidence to support the usage of short-range cooperative communications for energy savings.

Sistemas de comunicaciones para vuelos no tripulados

La iniciativa ATLANTIDA engloba numerosos estudios de ingeniería con el objetivo de reformar el actual sistema de gestión del tráfico aéreo. Dentro de estos estudios se encuentran diversas investigaciones en el campo de las comunicaciones móviles. La gran variabilidad del entorno aeronáutico promueve el estudio de sistemas de comunicaciones móviles capaces de funcionar en este tipo de entorno. Este proyecto propone un sistema de comunicaciones WiMAX en un entorno aeronáutico con aviones no tripulados utilizando la modulación OFDM.

Estudio de los efectos del movimiento en señales OFDM

El entorno aéreo es, a día de hoy, uno de los escenarios más complicados a la hora de establecer enlaces de comunicación fiables. Esto es debido, principalmente, a las altas velocidades a las que circulan los aviones, que propician una gran degradación del rendimiento des sistema si no se estima de forma continua el canal. Además el entorno aéreo es susceptible a sufrir muchos otros efectos que provocan la degradación de la señal, como la difracción, la reflexión, etc. Por este motivo en este proyecto se hace un estudio de dos escenarios típicos de vuelo: arrival (aterrizaje) y on route (vuelo en ruta). En el escenario on route los aviones circulan a más de el doble de velocidad que en el escenario arrival, de esta manera se podrá ver el efecto de sufrir un doppler mayor. Para realizar el estudio se utiliza un sistema multiportadora con solapamiento de subcanales, OFDM, y se toman inicialmente parámetros típicos de la tecnología WiMAX, que se variarán con el objetivo de mejorar el rendimiento del sistema.

Desenvolupament d'una xarxa telemàtica, per proveïr d'accés a Internet al municipi de Premià de Mar

Solució de disseny per al sistema de comunicació en una comunitat Wifi que permeti, en unes àrees determinades, navegar sense cap problema amb qualsevol dispositiu amb connexió sense fils.

On high-rate full-diversity 2x2 space-time codes with low-complexity optimum detection

The 2×2 MIMO profiles included in Mobile WiMAX specifications are Alamouti’s space-time code (STC) fortransmit diversity and spatial multiplexing (SM). The former hasfull diversity and the latter has full rate, but neither of them hasboth of these desired features. An alternative 2×2 STC, which is both full rate and full diversity, is the Golden code. It is the best known 2×2 STC, but it has a high decoding complexity. Recently, the attention was turned to the decoder complexity, this issue wasincluded in the STC design criteria, and different STCs wereproposed. In this paper, we first present a full-rate full-diversity2×2 STC design leading to substantially lower complexity ofthe optimum detector compared to the Golden code with only a slight performance loss. We provide the general optimized form of this STC and show that this scheme achieves the diversitymultiplexing frontier for square QAM signal constellations. Then, we present a variant of the proposed STC, which provides a further decrease in the detection complexity with a rate reduction of 25% and show that this provides an interesting trade-off between the Alamouti scheme and SM.

Projecte desplegament d'una xarxa d'operador de fibra òptica al 22@ i a diverses ciutats del continent

En la primera fase s’interconnectarien a través d’un anell de fibra òptica tres hotels d’una mateixa cadena en l’àrea del 22@ de Barcelona. S’ofereixen els serveis de: intranet, telefonia IP amb interconnexió a la PSTN, videoconferència i internet. Utilitzem VLANs per gestionar la qualitat de servei i la seguretat. El nostre model teòric inclou estimacions de tràfic, comparativa de fabricants, valoració econòmica i diagrama de Gantt d’implantació. A més, ampliem la gamma de serveis amb una xarxa Wimax al 22@ en previsió de futur ús. I augmentem la disponibilitat del servei amb un enllaç ràdio dedicat de backup des d’un dels nodes cap a la torre de Collserola, en la banda dels 18GHz, amb antenes parabòliques. Hem fet càlculs d’atenuació. En la segona i successives fases s’amplia la xarxa de FO a nivell nacional i internacional per a treballar com a operador d’empreses, amb un acurat disseny i selecció dels aparells òptics.

WLAN ja logistiikka-ala

Tästä insinöörityöstä pyrittiin luomaan käytännönläheinen opas logistiikka-alan yritysten WLAN-ratkaisujen suunnittelusta ja toteutuksesta. Insinöörityössä on tiivistetty käytännös-ä parhaiksi todetut metodit ja teoreettinen tieto langattomista verkoista. Työn tarkoituk-sena oli kehittää ja parantaa yrityksen langattomien lähiverkkojen yksikön toimintaa ja luoda kattava opas yksikköön saapuville työntekijöille. Logistiikka-alalla WLAN-tekniikka on mahdollistanut varastoissa langattoman työskentelyn, joka on näkynyt nopeudessa ja kustannustehokkuudessa. Logistiset varastot ovat haasteellinen ympäristö WLAN-verkoille, mutta koko ajan kehittyvän tekniikan ansiosta varastoihin on mahdollista luoda nopea ja luotettava langaton lähiverkko. Insinöörityön teoreettisessa osiossa käsitellään muun muassa WLAN-tekniikan historiaa, standardeja ja yleisesti WLAN-tekniikkaa. Työssä tutustutaan myös WLAN-antenneihin, laitteistoihin ja tietoturvallisuuteen. Käytännön tutkimustyö toteutettiin kahden vuoden aikana WLAN-verkkojen ylläpidon, suunnittelun ja toteutuksen muodossa. Näiden vuosien aikana onnistuttiin kehittämään käytettyjä menetelmiä ja luomaan uusia lähestymistapoja, sekä toteuttamaan useita on-nistuneita WLAN-verkkoja. Työssä esitellään teoreettisen suunnittelun lisäksi kaksi kappa-letta onnistuneesti toteutuneita WLAN-ratkaisuja.

Langattomat tietoliikenneratkaisut mCastingin tarpeisiin

Tämä insinöörityö tehtiin mCasting Oy:lle. Työn tavoitteena oli löytää mCastingin tarpeita parhaiten vastaava langaton tietoliikenneratkaisu kuluttajahintaisilta markkinoilta ja verrata sitä tällä hetkellä käytössä olevaan GPRS-tekniikkaan. Langattomalta tekniikalta vaaditaan erityisesti helppoa asennettavuutta sekä varmatoimisuutta pitkällä aikavälillä. Lisäarvoa tuovat hyvät tietoliikenteelliset ominaisuudet, kuten matalat vasteajat ja suuri läpäisykyky. Myös hinnalla on merkittävä osuus tutkimuksessa, sillä tarvittavien yhteyksien määrä tuotantoverkossa lasketaan lähitulevaisuudessa sadoissa kappaleissa. Tutkimukseen valittiin markkinoiden hinta-laatu-suhteeltaan parhaat langattomat tekniikat: @450, HSDPA (3G) ja WiMAX. Jokaista tekniikkaa edustamaan valittiin kuluttajahintainen päätelaite, jolle suoritettiin erilaisia testauksia. Testaukset jaoteltiin kolmeen eri ryhmään ja jokaiselle testille annettiin mCastingin tarpeen mukainen painokerroin. Tietoliikennetestaukset suoritettiin Noval Networksin NetEye-järjestelmällä, joka soveltuu erityisen hyvin verkon toiminnankartoitukseen ja palvelunlaadun mittaamiseen. Tietoliikenteeltä vaadittavat laatumääreet sovellettiin ITU-T:n standardeista ja Noval Networkin suositusarvoista mCastingin tarpeeseen. Asennettavuuden testaus suoritettiin viidessä eri maantieteellisessä sijainnissa eri puolella Suomea. Näitä sijainteja edustivat Vantaa, Helsinki, Turku, Joensuu ja Rautalampi. Testauksen perusteella arvioitiin asennettavuuden mahdolliset ongelmatilanteet ja niiden todennäköisyys. Tekniikan käytön hinta laskettiin testauksessa käytettävistä kokoonpanoista. Tämän perusteella jokainen tekniikka sai pisteensä suhteessa parhaaseeen. Suuria eroja ei tutkimuksen tekniikoilla ole tietoliikkenneominaisuuksissa. 3G:n ylivertaisuus toimivuudessa ratkaisi tutkimuksen lopputuloksen HSDPA:n eduksi. @450-laajakaistan ja WiMAX:n hinta on myös korkea suhteessa niiden saavuttamiin tuloksiin. WiMAX, joka osoittautui parhaaksi tietoliikenneominaisuuksiensa puolesta, oli kaikista vaikein asentaa, eikä se toiminut läheskään jokaisessa testiympäristössä.

Langattoman Internet-puhelupalvelun tarjoaminen

Langattomalla Internetpuhelupalvelulla tarkoitetaan Internet-puheluiden (Voice over Internet Protocol, VoIP) siirtoa langattoman tiedonsiirtoverkon ylitse. Tälläisia langattomia verkkoja voivat olla esimerkiksi langattomat lähiverkot, WiMAX-verkot tai 450 megahertsin (MHz) taajuusalueella toimivat tiedonsiirtoverkot. VoIP-yhteyden toiminta voidaan jakaa kolmeen eri toiminta-alueeseen: yhteydenmuodostusprotokollaan, äänen koodaukseen sekä siirtotiehen. Yhteydenmuodostusprotokollia ovat esimerkiksi SIP (Session Initiation Protocol) sekä H.323. Yhteydenmuodostusprotokollantehtävänä on muodostaa yhteys käyttäjien välille sekä sopia yhteydessäkäytettävistä ominaisuuksista. Äänen koodauksessa ääni pakataan paketteihin, joita lähetetään siirtotietä pitkin eri käyttäjien välillä. Normaalissa Internetpuheluyhteydessä siirtotienä käytetään langallisia siirtoteitä. Tässä työssä on keskitytty langattomiin siirtoteihin ja niidentuomiin haasteisiin, kuten yhteyden luotettavuuteen ja laatuun, yhteyskapasiteetin riittävyyteen sekä siirtymiseen saman verkon eri tukiasemien sekä eri verkkojen välillä. Työssä rakennettiin yksinkertainen, mutta toimiva langaton Internetpuhelujärjestelmä sekä verrattiin sen ominaisuuksia normaaliin Internetpuhelujärjestelmään. Järjestelmää koekäytettiin oikeassa toimintatilanteessa varsinaisen puhelinjärjestelmän rinnalla tavallisessa toimistoympäristössä. Testaustulosten ja käyttäjäkokemusten perusteella on periaatteessa mahdollista rakentaa yksinkertainen langaton Internetpuhelujärjestelmä ja käyttää sitä puhelupalveluiden tarjoamiseen. Palvelun tarjoaminen vaatii kuitenkin vielä tiettyjen viestintäviraston määräysten täyttämistä ennen tuotantokäyttöön ottamista.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Laajakaistayhteyksien vertailua käyttäjän ja rakennuttajan näkökulmasta

Diplomityön tarkoituksena on selvittää eri laajakaistatekniikoiden ominaisuuksia, ja verrata niitä käyttäjien ja rakennuttajien näkökulmaan. Miten käyttäjätsuhtautuvat tekniikan kehittymiseen, ja mitä he ovat valmiita maksamaan siitä. Ovatko näkemykset rakentajien kanssa samansuuntaisia, vai onko tekniikka edellä käyttäjiä? Näihin kysymyksiin pyrittiin saamaan vastaus tässä diplomityössä haastattelemalla molempia osapuolia ja vertailemalla vastauksia. Laajakaistayhteydet ovat lähes kaikkien saatavilla nykypäivänä. Suurin osa yhteyksistä on toteutettu kuparitekniikoilla, joista ADSL on yleisin kaapeli-TV ratkaisun kanssa. Harvemmin asutuilla tai muuten hankalasti tavoitettavilla alueilla laajakaistayhteydet ovat toteutettu langattomin ratkaisuin WiMAX- tai @450-tekniikoilla. Laajakaistayhteyksien kriteerinä on ollut 256 kbit/s nopeus, mutta nykyään käyttäjien keskiarvo on noussut 2 Mbit/s nopeuteen. Nopeudet vaikuttavat sovelluksiin, mitä voidaan käyttää. Nykyään Internetin kautta on saatavilla monipuolisesti erilaisia sovelluksia ja viestintätapoja. Vaatimukset laajakaistayhteyksiltä ovat erilaisia; toiset vaativat reaaliaikaisuutta ja suurta nopeutta ja samalla toiset tyytyvät vähempään. Kaikille yhteyksille on kuitenkin yhteistä se, että niiden käyttövaatimukset ovat kasvaneet jatkuvasti. Tulevaisuutta onpyritty kartoittamaan tekniikoiden mahdollisesta kehitysnäkökulmasta, sekä sillä, miten muualla maailmassa edetään laajakaistatekniikoiden kanssa. Oman vivahteen kehitykseen tuovat kansalliset tarpeet ja resurssit.