EESM-Based Link Adaptation in Point-to-Point and Multi-Cell OFDM Systems: Modeling and Analysis

In contemporary wideband orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems, such as Long Term Evolution (LTE) and WiMAX, different subcarriers over which a codeword is transmitted may experience different signal-to-noise-ratios (SNRs). Thus, adaptive modulation and coding (AMC) in these systems is driven by a vector of subcarrier SNRs experienced by the codeword, and is more involved. Exponential effective SNR mapping (EESM) simplifies the problem by mapping this vector into a single equivalent fiat-fading SNR. Analysis of AMC using EESM is challenging owing to its non-linear nature and its dependence on the modulation and coding scheme. We first propose a novel statistical model for the EESM, which is based on the Beta distribution. It is motivated by the central limit approximation for random variables with a finite support. It is simpler and as accurate as the more involved ad hoc models proposed earlier. Using it, we develop novel expressions for the throughput of a point-to-point OFDM link with multi-antenna diversity that uses EESM for AMC. We then analyze a general, multi-cell OFDM deployment with co-channel interference for various frequency-domain schedulers. Extensive results based on LTE and WiMAX are presented to verify the model and analysis, and gain new insights.

Characterizing the Impact of Feedback Delays on Wideband Rate Adaptation

In contemporary orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems, such as Long Term Evolution (LTE), LTE-Advanced, and WiMAX, a codeword is transmitted over a group of subcarriers. Since different subcarriers see different channel gains in frequency-selective channels, the modulation and coding scheme (MCS) of the codeword must be selected based on the vector of signal-to-noise-ratios (SNRs) of these subcarriers. Exponential effective SNR mapping (EESM) maps the vector of SNRs into an equivalent flat-fading SNR, and is widely used to simplify this problem. We develop a new analytical framework to characterize the throughput of EESM-based rate adaptation in such wideband channels in the presence of feedback delays. We derive a novel accurate approximation for the throughput as a function of feedback delay. We also propose a novel bivariate gamma distribution to model the time evolution of EESM between the times of estimation and data transmission, which facilitates the analysis. These are then generalized to a multi-cell, multi-user scenario with various frequency-domain schedulers. Unlike prior work, most of which is simulation-based, our framework encompasses both correlated and independent subcarriers and various multiple antenna diversity modes; it is accurate over a wide range of delays.

The cross layer RMPA handover: a reliable mobility pattern aware handover strategy for broadband wireless communication in a high-speed railway domain

Enhancing the handover process in broadband wireless communication deployment has traditionally motivated many research initiatives. In a high-speed railway domain, the challenge is even greater. Owing to the long distances covered, the mobile node gets involved in a compulsory sequence of handover processes. Consequently, poor performance during the execution of these handover processes significantly degrades the global end-to-end performance. This article proposes a new handover strategy for the railway domain: the RMPA handover, a Reliable Mobility Pattern Aware IEEE 802.16 handover strategy "customized" for a high-speed mobility scenario. The stringent high mobility feature is balanced with three other positive features in a high-speed context: mobility pattern awareness, different sources for location discovery techniques, and a previously known traffic data profile. To the best of the authors' knowledge, there is no IEEE 802.16 handover scheme that simultaneously covers the optimization of the handover process itself and the efficient timing of the handover process. Our strategy covers both areas of research while providing a cost-effective and standards-based solution. To schedule the handover process efficiently, the RMPA strategy makes use of a context aware handover policy; that is, a handover policy based on the mobile node mobility pattern, the time required to perform the handover, the neighboring network conditions, the data traffic profile, the received power signal, and current location and speed information of the train. Our proposal merges all these variables in a cross layer interaction in the handover policy engine. It also enhances the handover process itself by establishing the values for the set of handover configuration parameters and mechanisms of the handover process. RMPA is a cost-effective strategy because compatibility with standards-based equipment is guaranteed. The major contributions of the RMPA handover are in areas that have been left open to the handover designer's discretion. Our simulation analysis validates the RMPA handover decision rules and design choices. Our results supporting a high-demand video application in the uplink stream show a significant improvement in the end-to-end quality of service parameters, including end-to-end delay (22%) and jitter (80%), when compared with a policy based on signal-to-noise-ratio information.

An integrated wideband multifunctional antenna using a microstrip patch with two U-slots

In this paper a multifunctional microstrip antenna is designed, fabricated and experimentally verified for operation in AWS, GSM, WiMAX and WLAN bands. This microstrip patch antenna has two U-shaped slots to achieve the dual wideband operation required to meet these specifications. The dimensions and locations of the U-slots are designed appropriately. The thick substrate used here helps in integrating the antenna with the existing aircraft panel material while achieving wide bandwidths. Experimental results of this single feed antenna indicate that it meets all current requirements for in-cabin wireless communication needs.

Secure data networks for electrical distribution applications

Smart Grids are characterized by the application of information communication technology (ICT) to solve electrical energy challenges. Electric power networks span large geographical areas, thus a necessary component of many Smart Grid applications is a wide area network (WAN). For the Smart Grid to be successful, utilities must be confident that the communications infrastructure is secure. This paper describes how a WAN can be deployed using WiMAX radio technology to provide high bandwidth communications to areas not commonly served by utility communications, such as generators embedded in the distribution network. A planning exercise is described, using Northern Ireland as a case study. The suitability of the technology for real-time applications is assessed using experimentally obtained latency data.

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.

Acesso banda larga sem fios em ambientes heterogéneos de próxima geração

O acesso ubíquo à Internet é um dos principais desafios para os operadores de telecomunicações na próxima década. O número de utilizadores da Internet está a crescer exponencialmente e o paradigma de acesso "always connected, anytime, anywhere" é um requisito fundamental para as redes móveis de próxima geração. A tecnologia WiMAX, juntamente com o LTE, foi recentemente reconhecida pelo ITU como uma das tecnologias de acesso compatíveis com os requisitos do 4G. Ainda assim, esta tecnologia de acesso não está completamente preparada para ambientes de próxima geração, principalmente devido à falta de mecanismos de cross-layer para integração de QoS e mobilidade. Adicionalmente, para além das tecnologias WiMAX e LTE, as tecnologias de acesso rádio UMTS/HSPA e Wi-Fi continuarão a ter um impacto significativo nas comunicações móveis durante os próximos anos. Deste modo, é fundamental garantir a coexistência das várias tecnologias de acesso rádio em termos de QoS e mobilidade, permitindo assim a entrega de serviços multimédia de tempo real em redes móveis. Para garantir a entrega de serviços multimédia a utilizadores WiMAX, esta Tese propõe um gestor cross-layer WiMAX integrado com uma arquitectura de QoS fim-a-fim. A arquitectura apresentada permite o controlo de QoS e a comunicação bidireccional entre o sistema WiMAX e as entidades das camadas superiores. Para além disso, o gestor de cross-layer proposto é estendido com eventos e comandos genéricos e independentes da tecnologia para optimizar os procedimentos de mobilidade em ambientes WiMAX. Foram realizados testes para avaliar o desempenho dos procedimentos de QoS e mobilidade da arquitectura WiMAX definida, demonstrando que esta é perfeitamente capaz de entregar serviços de tempo real sem introduzir custos excessivos na rede. No seguimento das extensões de QoS e mobilidade apresentadas para a tecnologia WiMAX, o âmbito desta Tese foi alargado para ambientes de acesso sem-fios heterogéneos. Neste sentido, é proposta uma arquitectura de mobilidade transparente com suporte de QoS para redes de acesso multitecnologia. A arquitectura apresentada integra uma versão estendida do IEEE 802.21 com suporte de QoS, bem como um gestor de mobilidade avançado integrado com os protocolos de gestão de mobilidade do nível IP. Finalmente, para completar o trabalho desenvolvido no âmbito desta Tese, é proposta uma extensão aos procedimentos de decisão de mobilidade em ambientes heterogéneos para incorporar a informação de contexto da rede e do terminal. Para validar e avaliar as optimizações propostas, foram desenvolvidos testes de desempenho num demonstrador inter-tecnologia, composta pelas redes de acesso WiMAX, Wi-Fi e UMTS/HSPA.

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.

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

Integrated Management of Interface Power (IMIP) Framework

La présence importante de plusieurs réseaux sans-fils de différentes portées a encouragée le développement d’une nouvelle génération d’équipements portables sans-fils avec plusieurs interfaces radio. Ainsi, les utilisateurs peuvent bénéficier d’une large possibilité de connectivité aux réseaux sans-fils (e.g. Wi-Fi [1], WiMAX [2], 3G [3]) disponibles autour. Cependant, la batterie d’un nœud mobile à plusieurs interfaces sera rapidement épuisée et le temps d’utilisation de l’équipement sera réduit aussi. Pour prolonger l’utilisation du mobile les standards, des réseaux sans-fils, on définie (individuellement) plusieurs états (émission, réception, sleep, idle, etc.); quand une interface radio n’est pas en mode émission/réception il est en mode sleep/idle où la consommation est très faible, comparée aux modes émission/réception. Pourtant, en cas d’équipement portable à multi-interfaces radio, l’énergie totale consommée par les interfaces en mode idle est très importante. Autrement, un équipement portable équipé de plusieurs interfaces radio augmente sa capacité de connectivité mais réduit sa longévité d’utilisation. Pour surpasser cet inconvénient on propose une plate-forme, qu'on appelle IMIP (Integrated Management of Interface Power), basée sur l’extension du standard MIH (Media Independent Handover) IEEE 802.21 [4]. IMIP permet une meilleure gestion d’énergie des interfaces radio, d’un équipement mobile à multi-radio, lorsque celles-ci entrent en mode idle. Les expérimentations que nous avons exécutées montrent que l’utilisation de IMIP permet d'économiser jusqu'a 80% de l'énergie consommée en comparaison avec les standards existants. En effet, IMIP permet de prolonger la durée d'utilisation d'équipements à plusieurs interfaces grâce à sa gestion efficace de l'énergie.

Gestion adaptative des ressources dans les réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques.

Efficient Transmitter/Receiver Architectures for High Performance Wireless Applications

The thesis focuses on efficient design methods and reconfiguration architectures suitable for higher performance wireless communication .The work presented in this thesis describes the development of compact,inexpensive and low power communication devices that are robust,testable and capable of handling multiple communication standards.A new multistandard Decimation Filter Design Toolbox is developed in MATLAB GUIDE environment.RNS based dual-mode decimation filters reconfigurable for WCDMA/WiMAX and WCDMA/WLANa standards are designed and implemented.It offers high speed operation with lesser area requirement and lower dynamic power dissipation.A novel sigma-delta based direct analog-to-residue converter that reduces the complexity of RNS conversion circuitry is presented.The performance of an OFDM communication system with a new RRNS-convolutional concatenated coding is analysed and improved BER performance is obtained under different channel conditions. Easily testable MAC units for filters are presented using Reed-Muller logic for realization.

Compact asymmetric coplanar strip-fed antenna for wideband applications

An asymmetric coplanar strip-fed uniplanar antenna for wideband applications is presented. The resulting antenna offers a 2:1 VSWR bandwidth greater than 100% from 1.58 to 5.48 GHz covering the DCS/PCS/IEEE 802.11a/WiMAX bands. The antenna has an overall dimension of 44 × 35 mm2 when printed on a substrate of dielectric constant 4.4 and height 1.6 mm. The design equation is also presented in this article. The antenna exhibits good radiation characteristics and moderate gain in the entire operating band.

Decimation Filter Design Toolbox for Multi-Standard Wireless Transceivers using MATLAB.

The demand for new telecommunication services requiring higher capacities, data rates and different operating modes have motivated the development of new generation multi-standard wireless transceivers. A multi-standard design often involves extensive system level analysis and architectural partitioning, typically requiring extensive calculations. In this research, a decimation filter design tool for wireless communication standards consisting of GSM, WCDMA, WLANa, WLANb, WLANg and WiMAX is developed in MATLAB® using GUIDE environment for visual analysis. The user can select a required wireless communication standard, and obtain the corresponding multistage decimation filter implementation using this toolbox. The toolbox helps the user or design engineer to perform a quick design and analysis of decimation filter for multiple standards without doing extensive calculation of the underlying methods.

Case Studies

Case studies related to content taught in IT Systems. CASE STUDY LIST: Banco do Brasil WAN Case Study Brighton WiMAX Case Study Burlington Linux Case Study Google Docs Case Study Networks in Agribusiness Case Study