Advances in base- and mobile-station aided cooperative wireless communications : An overview

In recent years, there has been an upsurge of research interest in cooperative wireless communications in both academia and industry. This article presents a simple overview of the pivotal topics in both mobile station (MS)- and base station (BS)- assisted cooperation in the context of cellular radio systems. Owing to the ever-increasing amount of literature in this particular field, this article is by no means exhaustive, but is intended to serve as a roadmap by assembling a representative sample of recent results and to stimulate further research. The emphasis is initially on relay-base cooperation, relying on network coding, followed by the design of cross-layer cooperative protocols conceived for MS cooperation and the concept of coalition network element (CNE)-assisted BS cooperation. Then, a range of complexity and backhaul traffic reduction techniques that have been proposed for BS cooperation are reviewed. A more detailed discussion is provided in the context of MS cooperation concerning the pros and cons of dispensing with high-complexity, power-hungry channel estimation. Finally, generalized design guidelines, conceived for cooperative wireless communications, are presented.

Antenna Selection for Next Generation IEEE 802.16 Mobile Stations

The IEEE 802.16/WiMAX standard has fully embraced multi-antenna technology and can, thus, deliver robust and high transmission rates and higher system capacity. Nevertheless,due to its inherent form-factor constraints and cost concerns, a WiMAX mobile station (MS) should preferably contain fewer radio frequency (RF) chains than antenna elements.This is because RF chains are often substantially more expensive than antenna elements. Thus, antenna selection, wherein a subset of antennas is dynamically selected to connect to the limited RF chains for transceiving, is a highly appealing performance enhancement technique for multi-antenna WiMAX terminals.In this paper, a novel antenna selection protocol tailored for next-generation IEEE 802.16 mobile stations is proposed. As demonstrated by the extensive OPNET simulations, the proposed protocol delivers a significant performance improvement over conventional 802.16 terminals that lack the antenna selection capability. Moreover, the new protocol leverages the existing signaling methods defined in 802.16, thereby incurring a negligible signaling overhead and requiring only diminutive modifications of the standard. To the best of our knowledge, this paper represents the first effort to support antenna selection capability in IEEE 802.16 mobile stations.

Efficiency improvements to the Groupe Special Mobile (GSM) digital mobile radio system

Groupe Spécial Mobile (GSM) has been developed as the pan-European second generation of digital mobile systems. GSM operates in the 900 MHz frequency band and employs digital technology instead of the analogue technology of its predecessors. Digital technology enables the GSM system to operate in much smaller zones in comparison with the analogue systems. The GSM system will offer greater roaming facilities to its subscribers, extended throughout the countries that have installed the system. The GSM system could be seen as a further enhancement to European integration. GSM has adopted a contention-based protocol for multipoint-to-point transmission. In particular, the slotted-ALOHA medium access protocol is used to coordinate the transmission of the channel request messages between the scattered mobile stations. Collision still happens when more than one mobile station having the same random reference number attempts to transmit on the same time-slot. In this research, a modified version of this protocol has been developed in order to reduce the number of collisions and hence increase the random access channel throughput compared to the existing protocol. The performance evaluation of the protocol has been carried out using simulation methods. Due to the growing demand for mobile radio telephony as well as for data services, optimal usage of the scarce availability radio spectrum is becoming increasingly important. In this research, a protocol has been developed whereby the number of transmitted information packets over the GSM system is increased without any additional increase of the allocated radio spectrum. Simulation results are presented to show the improvements achieved by the proposed protocol. Cellular mobile radio networks commonly respond to an increase in the service demand by using smaller coverage areas. As a result, the volume of the signalling exchanges increases. In this research, a proposal for interconnecting the various entitles of the mobile radio network over the future broadband networks based on the IEEE 802.6 Metropolitan Area Network (MAN) is outlined. Simulation results are presented to show the benefits achieved by interconnecting these entities over the broadband Networks.

A Cooperative ARQ Scheme for Infrastructure WLANs

We propose a Cooperative Opportunistic Automatic Repeat ReQuest (CoARQ) scheme to solve the HOL-blocking problem in infrastructure IEEE 802.11 WLANs. HOL blocking occurs when the head-of-the-line packet at the Access Point (AP) queue blocks the transmission of packets to other destinations resulting in severe throughput degradation. When the AP transmits a packet to a mobile station (STA), some of the nodes in the vicinity can overhear this packet transmission successfully. If the original transmission by the AP is unsuccessful, our CoARQ scheme chooses the station. STA or AP) with the best channel to the intended receiver as a relay and the chosen relay forwards the AP's packet to the receiver. This way, our scheme removes the bottleneck at the AP, thereby providing significant improvements in the throughput of the AP. We analyse the performance of our scheme in an infrastructure WLAN under a TCP controlled file download scenario and our analytical results are further validated by extensive simulations.

Localização de Terminais Móveis utilizando Correlação de Assinaturas de Rádio-Frequência.

Nesta dissertação são analisados métodos de localização baseados na rede, com destaque para os métodos de correlação de assinaturas de rádio-frequência (DCM - Database Correlation Methods). Métodos baseados na rede não requerem modificações nos terminais móveis (MS - Mobile Stations), sendo portanto capazes de estimar a localização de MS legados, i.e., sem suporte específico a posicionamento. Esta característica, associada a alta disponibilidade e precisão dos métodos DCM, torna-os candidatos viáveis para diversas aplicações baseadas em posição, e em particular para a localização de chamadas para números de emergência - polícia, defesa civil, corpo de bombeiros, etc. - originadas de telefones móveis celulares. Duas técnicas para diminuição do tempo médio para produção de uma estimativa de posição são formuladas: a filtragem determinística e a busca otimizada utilizando algoritmos genéticos. Uma modificação é realizada nas funções de avaliação utilizadas em métodos DCM, inserindo um fator representando a inacurácia intrínseca às medidas de nível de sinal realizadas pelos MS. As modificações propostas são avaliadas experimentalmente em redes de telefonia móvel celular de segunda e terceira gerações em ambientes urbanos e suburbanos, assim como em redes locais sem fio em ambiente indoor. A viabilidade da utilização de bancos de dados de correlação (CDB - Correlation Database) construídos a partir de modelagem de propagação é analisada, bem como o efeito da calibração de modelos de propagação empíricos na precisão de métodos DCM. Um dos métodos DCM propostos, utilizando um CDB calibrado, teve um desempenho superior ao de vários outros métodos DCM publicados na literatura, atingindo em área urbana a precisão exigida dos métodos baseados na rede pela regulamentação FCC (Federal Communications Commission) para o serviço E911 (Enhanced 911 ).

Estudo de níveis de ozônio troposférico usando métodos de estatística univariada e multivariada para duas localidades da cidade do Rio de Janeiro

Com cada vez mais intenso desenvolvimento urbano e industrial, atualmente um desafio fundamental é eliminar ou reduzir o impacto causado pelas emissões de poluentes para a atmosfera. No ano de 2012, o Rio de Janeiro sediou a Rio +20, a Conferência das Nações Unidas sobre Desenvolvimento Sustentável, onde representantes de todo o mundo participaram. Na época, entre outros assuntos foram discutidos a economia verde e o desenvolvimento sustentável. O O3 troposférico apresenta-se como uma variável extremamente importante devido ao seu forte impacto ambiental, e conhecer o comportamento dos parâmetros que afetam a qualidade do ar de uma região, é útil para prever cenários. A química das ciências atmosféricas e meteorologia são altamente não lineares e, assim, as previsões de parâmetros de qualidade do ar são difíceis de serem determinadas. A qualidade do ar depende de emissões, de meteorologia e topografia. Os dados observados foram o dióxido de nitrogênio (NO2), monóxido de nitrogênio (NO), óxidos de nitrogênio (NOx), monóxido de carbono (CO), ozônio (O3), velocidade escalar vento (VEV), radiação solar global (RSG), temperatura (TEM), umidade relativa (UR) e foram coletados através da estação móvel de monitoramento da Secretaria do Meio Ambiente (SMAC) do Rio de Janeiro em dois locais na área metropolitana, na Pontifícia Universidade Católica (PUC-Rio) e na Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) no ano de 2011 e 2012. Este estudo teve três objetivos: (1) analisar o comportamento das variáveis, utilizando o método de análise de componentes principais (PCA) de análise exploratória, (2) propor previsões de níveis de O3 a partir de poluentes primários e de fatores meteorológicos, comparando a eficácia dos métodos não lineares, como as redes neurais artificiais (ANN) e regressão por máquina de vetor de suporte (SVM-R), a partir de poluentes primários e de fatores meteorológicos e, finalmente, (3) realizar método de classificação de dados usando a classificação por máquina de vetor suporte (SVM-C). A técnica PCA mostrou que, para conjunto de dados da PUC as variáveis NO, NOx e VEV obtiveram um impacto maior sobre a concentração de O3 e o conjunto de dados da UERJ teve a TEM e a RSG como as variáveis mais importantes. Os resultados das técnicas de regressão não linear ANN e SVM obtidos foram muito próximos e aceitáveis para o conjunto de dados da UERJ apresentando coeficiente de determinação (R2) para a validação, 0,9122 e 0,9152 e Raiz Quadrada do Erro Médio Quadrático (RMECV) 7,66 e 7,85, respectivamente. Quanto aos conjuntos de dados PUC e PUC+UERJ, ambas as técnicas, obtiveram resultados menos satisfatórios. Para estes conjuntos de dados, a SVM mostrou resultados ligeiramente superiores, e PCA, SVM e ANN demonstraram sua robustez apresentando-se como ferramentas úteis para a compreensão, classificação e previsão de cenários da qualidade do ar

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.

Multi-agent location system in wireless networks

In this paper we propose a flexible Multi-Agent Architecture together with a methodology for indoor location which allows us to locate any mobile station (MS) such as a Laptop, Smartphone, Tablet or a robotic system in an indoor environment using wireless technology. Our technology is complementary to the GPS location finder as it allows us to locate a mobile system in a specific room on a specific floor using the Wi-Fi networks. The idea is that any MS will have an agent known at a Fuzzy Location Software Agent (FLSA) with a minimum capacity processing at its disposal which collects the power received at different Access Points distributed around the floor and establish its location on a plan of the floor of the building. In order to do so it will have to communicate with the Fuzzy Location Manager Software Agent (FLMSA). The FLMSAs are local agents that form part of the management infrastructure of the Wi-Fi network of the Organization. The FLMSA implements a location estimation methodology divided into three phases (measurement, calibration and estimation) for locating mobile stations (MS). Our solution is a fingerprint-based positioning system that overcomes the problem of the relative effect of doors and walls on signal strength and is independent of the network device manufacturer. In the measurement phase, our system collects received signal strength indicator (RSSI) measurements from multiple access points. In the calibration phase, our system uses these measurements in a normalization process to create a radio map, a database of RSS patterns. Unlike traditional radio map-based methods, our methodology normalizes RSS measurements collected at different locations on a floor. In the third phase, we use Fuzzy Controllers to locate an MS on the plan of the floor of a building. Experimental results demonstrate the accuracy of the proposed method. From these results it is clear that the system is highly likely to be able to locate an MS in a room or adjacent room.

Técnica de localização em ambientes fechados utilizando padrões de redes sem fio.

Localizar objetos ou pessoas no interior de um edifício é de grande interesse. Contudo, diferentemente do que ocorre no exterior de edificações, não há metodologia consagrada para a determinação da posição desses entes nos edifícios. Para o posicionamento em locais abertos existem tecnologias consolidadas, como GNSS (Global Navigation Satellite System), a dificuldade em fazê-lo em interiores é maior. Nesses casos, o GNSS não pode ser utilizado, pois os sinais de rádio dos satélites não conseguem penetrar através das estruturas, enquanto que outras tecnologias são apenas incipientes nesse quesito. Abordagens habituais para a resolução dessa demanda têm se baseado na utilização de propagadores das ondas de rádio do GNSS, no uso da potência de sinais de redes sem fio ou, ainda, no emprego de transmissores infravermelhos. No entanto, uma técnica diferente pode ser empreendida para essa finalidade. Usando-se a assinatura das potências de rádio das redes sem fio nas imediações e no interior da edificação, é possível criar um mapa com base nesses sinais, permitindo a determinação da posição de um objeto. No presente trabalho foram desenvolvidos um sistema para geração do mapa de sinais, com critério de parada e um método de cálculo de posicionamento. Procedeu-se, também, à análise de quatro critérios para o cálculo final da posição do objeto, baseados no uso da distância euclidiana com os conjuntos de roteadores disponíveis. Concluiu-se que, quando o mapa de sinais é pequeno, o posicionamento fracassou. Entretanto, quando a quantidade de sinais geradores do mapa aumenta, os resultados apresentaram melhora significativa, com resultados próximos a 100% de assertividade. Desse modo foi possível determinar uma estimativa boa para o número mínimo de roteadores presentes na base e estabelecer um critério de parada para a fase de criação do mapa de sinais.

Spatial SINR Games of Base Station Placement and Mobile Association

We study the question of determining locations of base stations (BSs) that may belong to the same or to competing service providers. We take into account the impact of these decisions on the behavior of intelligent mobile terminals that can connect to the base station that offers the best utility. The signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) is used as the quantity that determines the association. We first study the SINR association-game: We determine the cells corresponding to each base stations, i.e., the locations at which mobile terminals prefer to connect to a given base station than to others. We make some surprising observations: 1) displacing a base station a little in one direction may result in a displacement of the boundary of the corresponding cell to the opposite direction; 2) a cell corresponding to a BS may be the union of disconnected subcells. We then study the hierarchical equilibrium in the combined BS location and mobile association problem: We determine where to locate the BSs so as to maximize the revenues obtained at the induced SINR mobile association game. We consider the cases of single frequency band and two frequency bands of operation. Finally, we also consider hierarchical equilibria in two frequency systems with successive interference cancellation.

Assessment of the suitability of public mobile data networks for aircraft telemetry and control purposes

This paper provides a review of the state of the art relevant work on the use of public mobile data networks for aircraft telemetry and control proposes. Moreover, it describes the characterisation for airborne uses of the public mobile data communication systems known broadly as 3G. The motivation for this study was the explore how this mature public communication systems could be used for aviation purposes. An experimental system was fitted to a light aircraft to record communication latency, line speed, RF level, packet loss and cell tower identifier. Communications was established using internet protocols and connection was made to a local server. The aircraft was flown in both remote and populous areas at altitudes up to 8500 ft in a region located in South East Queensland, Australia. Results show that the average airborne RF levels are better than those on the ground by 21% and in the order of - 77dbm. Latencies were in the order of 500ms (1/2 the latency of Iridium), an average download speed of 0.48Mb/s, average uplink speed of 0.85Mb/s, a packet of information loss of 6.5%. The maximum communication range was also observed to be 70km from a single cell station. The paper also describes possible limitations and utility of using such communications architecture for both manned and unmanned aircraft systems.

Characterisation of public mobile data networks for aeronautical telemetry purposes

This paper describes the characterisation for airborne uses of the public mobile data communication systems known broadly as 3G. The motivation for this study was to explore how this mature public communication systems could be used for aviation purposes. An experimental system was fitted to a light aircraft to record communication latency, line speed, RF level, packet loss and cell tower identifier. Communications was established using internet protocols and connection was made to a local server. The aircraft was flown in both remote and populous areas at altitudes up to 8500ft in a region located in South East Queensland, Australia. Results show that the average airborne RF levels are better than those on the ground by 21% and in the order of -77 dbm. Latencies were in the order of 500 ms (1/2 the latency of Iridium), an average download speed of 0.48 Mb/s, average uplink speed of 0.85 Mb/s, a packet of information loss of 6.5%. The maximum communication range was also observed to be 70km from a single cell station. The paper also describes possible limitations and utility of using such a communications architecture for both manned and unmanned aircraft systems.