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Main Title: Towards low latency and bandwidth efficient communication in wireless systems
Translated Title: Auf dem Weg zu einer latenzarmen und bandbreiteneffizienten Kommunikation in drahtlosen Systemen
Author(s): Amjad, Muhammad Sohaib
Advisor(s): Dressler, Falko
Referee(s): Dressler, Falko
Weigel, Robert
Tsai, Hsin-Mu (Michael)
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The densely utilized sub-6 GHz spectrum is reaching critical saturation levels due to the growing number of wirelessly connected devices and their increasing demand for high-speed real-time content access. The ubiquitous connectivity and high data rates in the existing wireless architecture are, therefore, struggling, with both limited link-capacity and channel access. In this regard, infrastructure relays have also been considered for maintaining high-speed wireless connectivity and improved user experience. Nevertheless, due to the existing relaying structure’s half-duplex nature, higher latencies are typically experienced, especially in multi-hop scenarios. To address this issue, in-band Full-Duplex Relaying (FDR) has been proposed in the literature, which is still missing standardized implementations for experimentation and evaluation purposes. The first part of the thesis fills this gap and presents an IEEE 802.11 a/g/p compliant FDR implementation in the GNU Radio framework. We first evaluate FDRs’ performance in a dual-hop scenario, with simulations and Software-Defined Radio (SDR)-based real-world experiments. We further consider FDR applicability in vehicular platooning and study its potential in sub-6 GHz and 77 GHz mmWave channels. Our results show that FDR substantially reduces the physical layer latency and transmission power requirements in a multi-hop system, provided that the looped self-interference is sufficiently suppressed. The second part of this thesis explores the spectrum beyond conventional RF for communications and investigate Visible Light Communication (VLC) as an access technology for bandwidth-efficient and low latency communications. We first present a flexible IEEE 802.11 compliant Vehicular-VLC (V-VLC) system, which utilizes commercial off-the-shelf hardware. Our real-time experiments in the outdoors during the daytime confirm that our system prevents the strong impact of daylight and demonstrates reliable communications for distances beyond 75 m, regardless of the time of the day. We then propose a novel indoor visible light-based communication and non-invasive sensing system with applications in industrial automation and Internet of Things (IoT) solutions. Our results show that integrating the two technologies only marginally lowers individual performance; however, the combined system is especially beneficial in radio-hostile and hazardous industrial environments.
Aufgrund der wachsenden Anzahl drahtlos vernetzter Geräte mit immer höheren Anforderungen an schnelle Datenübertragungen ist das 6 GHz-Band mittlerweile stark benutzt und erreicht kritische Auslastungswerte. Bestehende Architekturen sind hier durch eine begrenzte Kanalkapazität und durch Probleme beim gleichzeitigen Kanalzugriff vieler Geräte limitiert. Infrastrukturrelays sind ein vielversprechender Lösungsansatz, um auch weiterhin hohe Datenraten bereitstellen zu können. Vorhandene Technologien basieren allerdings auf Halb-Duplex-Weiterleitung, was zu einer signifikanten Erhöhung der Übertragungslatenz führt, insbesondere in Szenarien mit mehreren Relaisstationen. Um diesen Nachteil zu beheben, wurde in der Forschungsliteratur sogenanntes in-band Full-Duplex-Relaying (FDR) vorgeschlagen, bei dem der Empfang und die Weiterleitung von drahtlosen Signalen gleichzeitig möglich ist. Es gibt dazu aber noch keine standardisierte Implementierung, mit der dieser Ansatz experimentell getestet und evaluiert werden könnte. Im ersten Teil dieser Arbeit wird daher eine auf dem GNU Radio-Framework basierte Implementierung eines IEEE 802.11 a/g/p konformen Full-Duplex-Relais vorgestellt. Die Leistung dieser FDR-Implementierung wird sowohl simulativ als auch experimentell mit einem Software Defined Radio (SDR) untersucht. Des Weiteren wird die Anwendbarkeit der Technik für Fahrzeug- Platooning im sub-6 GHz-Bereich und auf 77 GHz mmWave-Kanälen gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Übertragungslatenzen und die benötigte Sendeleistung mittels FDR deutlich reduziert werden können. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit drahtloser Übertragung jenseits der üblichen Funkfrequenzen. Auch sichtbares Licht kann zur Datenübertragung mit hoher Datenrate und niedriger Latenz genutzt werden (Visible Light Communication (VLC)). In dieser Arbeit stelle ich ein flexibles und IEEE 802.11 kompatibles VLC- System für Fahrzeuge vor, das mit handelsüblicher Standard-Hardware gebaut wurde. Unsere Echtzeit-Experimente im Außenbereich bestätigen, dass dieses System trotz starken Tageslichts eine zuverlässige Kommunikation über Entfernungen von mehr als 75 m ermöglicht. Des Weiteren schlagen wir ein neuartiges, auf sichtbarem Licht basierendes Kommunikations- und nicht-invasives Sensorsystem vor, das in der Industrieautomation und beim Internet der Dinge (IoT) Anwendung findet. Die Integration von Datenübertragung und berührungsloser Messung führt kaum zu einer Beeinträchtigung der einzelnen Funktionen und ist besonders geeignet für gefährliche Industrieumgebungen, in denen normale Drahtloskommunikation nur eingeschränkt nutzbar ist.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13177
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11971
Exam Date: 5-May-2021
Issue Date: 2021
Date Available: 19-Jul-2021
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): low latency communications
bandwidth-efficient communications
mmWaves communications
visible light communications
visible light sensing
Kommunikation mit niedriger Latenzzeit
bandbreiteneffiziente Kommunikation
mmWaves-Kommunikation
Sichtbares Licht-Kommunikation
Erkennung von sichtbarem Licht
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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