Internet of things and vehicles in the context of 5G

In these years we are experiencing an incredible explosion for mobile connectivity. Devices such as smart-phones, tablets and laptops are more and more data hungry, asking for faster and faster connections. In the meantime, many industry sectors are pushing mobile network operators to provide internet connectivity with different characteristics for a new set of machine-driven applications. Machine-to-machine (M2M) or machine type communications (MTC), is the new paradigm: lower latencies, lower energy consumption, less signalling, higher reliability, are only few of new requirements. MTC devices will become a massive presence in tomorrow mobile networks and finally the Internet of Things will become real in its entirety. Although still under constant update, the current 4G mobile networks have some limitations due to their intrinsic architecture. A newer disruptive mobile network generation is the only possible solution to satisfy the future demands for connectivity. While within the so-called 5G networks, many new technologies are under study, focusing on reaching higher point-to-point data-rates, one of the most important aspects of 5G is the support for MTC. In this thesis different aspects of M2M communications are taken into account. Inter-vehicular communications and the IEEE 802.11p protocol for vehicular ad-hoc networks are analysed. In particular the IEEE 802.11p shortcomings on channel response estimation and channel access are taken into consideration. The physical layer of the IEEE 802.11p protocol does not provide sufficient information to track the channel response; we propose a novel technique that exploits information provided by in-car sensors like GPS or speedometer to improve channel response tracking. Current protocols for vehicular direct communications considers the concurrent use of more than one radio channel at the same time, and leave to terminals the duty of choosing which channel to use. In this thesis we consider the most common channel occupancy detectors, derived by the cognitive radio theory, in a vehicular environment, and measure their performances in terms of probability of misdetection and detection delay. In the field of MTC, we present out implementation of an IETF IPv6-6LoWPAN protocol stack for resource-constrained devices. The stack provides the minimum requirements for these devices to support IPv6-based connectivity. The architecture is organized to decouple the stack from the data-link protocol and to seamlessly manage more than one radio access technology interface present in the device. Our tests show an increase in the final throughput respect to the other most known implementation, thanks to a memory usage optimization. Finally 5G networks and green communications are considered in this thesis. In particular we analyse HARQ protocols, largely used in modern wireless protocols, in terms of energy efficiency. We use the recent theory on channel coding in finite block-length regime by Polyanskiy-Poor-Verdù, the most appropriate in MTC scenarios, as starting point to find the analytic formula of the outage probability for HARQ protocols of Type-I and Type-II. We then propose a novel optimal allocation strategy for the transmitting power of the subsequent transmission attempts. Results show the outstanding performances in terms of energy saved that even the simplest combining techniques that such protocols use, could bring into play.

Negli ultimi anni si sta assistendo ad un’esplosione nella domanda di connettività in mobilità. Dispositivi quali smartphone, tablet e laptop offrono funzionalità e servizi sempre più basati sulla disponibilità di una connessione sempre attiva. Allo stesso modo, sempre più settori dell’industria premono gli operatori di rete mobile, chiedendo connettività per una nuova classe di dispositivi che rientrano nella categoria del Machine-Type-Communication. Coi termini Machine-Type-Communication (MTC) o Machine-2-Machine (M2M) si indica un paradigma con il quale si identificano una pletora di nuovi servizi di connettività in cui vincoli sulla latenza, disponibilità, affidabilità, consumo energetico della connessione sono più stringenti e meglio definiti. Le MTC diventeranno in un futuro prossimo una presenza massiva nelle reti cellulari, dando vita finalmente al mondo globalmente interconnesso descritto dal paradigma dell’Internet delle Cose. Sebbene in costante evoluzione e aggiornamento l’attuale generazione di rete mobile 4G ha alcune limitazioni intrinseche che rendono necessario un ulteriore salto generazionale ad una rete 5G di nuova concezione, come unica soluzione percorribile per soddisfare la crescente domanda di connettività. Nonostante in letteratura la maggior parte delle nuove soluzioni tecnologiche proposte hanno come obiettivo il raggiungimento di connessioni più veloci, uno degli aspetti più importanti del 5G e il pieno supporto alle MTC. In questa tesi vengono presi in esame alcuni aspetti delle comunicazioni M2M. In primo luogo si prendono in considerazione le reti veicolari, nello specifico si affrontano alcune criticita dell’attuale protocollo per reti wireless ad-hoc tra veicoli, il protocollo IEEE 802.11p, perciò che riguarda la stima del canale radio e il meccanismo di accesso al mezzo. Il livello fisico del protocollo non fornisce sufficienti risorse per permettere il tracking delle fluttuazioni del canale radio, qui proponiamo una tecnica innovativa che sfrutta informazioni aggiuntive provenienti da sensori e sistemi elettronici, di cui le moderne auto sono dotate, per migliorare il tracking del canale radio. Gli attuali protocolli per le reti veicolari prevedono l’uso concorrente di più canali radio, e lasciano totale libertà ai terminali sui metodi di scelta del canale radio da utilizzare. In questo lavoro, vengono presi in esame alcuni tra i più comuni rilevatori di occupazione del canale radio, mutuati dalla teoria del “cognitive radio”, e ne vengono analizzate le performance in termini di probabilità di mancata rilevazione e ritardo di rilevazione in ambiente veicolare. Nel campo delle MTC, presentiamo l’implementazione di uno stack protocollare IETF IPv6-6LoWPAN, realizzato per permettere a dispositivi low-cost con risorse limitate, di supportare comunicazioni su rete IPv6. L’architettura dello stack stata progettata allo scopo di disaccoppiare le funzionalità dello stack dal particolare protocollo data-link utilizzato, e di supportare dispositivi equipaggiati con più moduli per la comunicazione wireless. I test comparativi dimostrano un throughput maggiore rispetto all’implementazione più conosciuta del protocollo IPv6 per questi dispositivi. In conclusione, sono messi in relazione le reti 5G e il paradigma delle green communication. I protocolli di tipo Automatic Repeat reQuest (ARQ) ibrido, largamente usati nelle moderne reti cellulari, vengono analizzati in termini di efficienza energetica usando i recenti risultati di Polyanskiy-Poor-Verdù sulla capacità di canale in regime di parola di codice di lunghezza finita. Tale teoria affronta l’analisi della capacità di correzione dei codici di canale a fronte di una parola di codice di lunghezza finita, teoria che si concilia con la natura delle reti MTC. L’analisi propone inoltre, una tecnica di ottimizzazione della potenza trasmissiva nelle ritrasmissioni dei protocolli HARQ di tipo Type-I e Type-II. L’analisi mostra i risultati ottenuti in termini di probabilità di outage finale e di risparmio energetico ottenuto.