The evolution from the fifth generation (5G) networks to 6G promises to revolution- ize connectivity, supporting a vast array of applications from high-definition video streaming and immersive augmented reality experiences to critical machine-type communications. However, this progression brings along the challenge of efficiently managing the limited radio spectrum (RF) resources to accommodate the diverse quality of service (QoS) requirements of a variety of service and user types. Another problem gaining traction with the advances of wireless communications technology is the coexistence between active communication systems and passive RF sensing operating in the same or adjacent bands. Central to addressing these challenges is the proposed application of deep reinforcement learning (DRL), which emerges as a tool for adaptive and intel- ligent radio resource management (RRM) in the face of the increasingly complex and dynamic RF system requirements. This dissertation investigates the application of DRL for service, user, and network management of advanced wireless networks operating in dedicated and shared spectrum. Through a series of innovative DRL-based frameworks and solutions to a variety of emerging RRM problems, this work contributes to the optimization of spectrum, transmission power, and band- width allocation, as well as network configuration. We contribute to the integration of cutting-edge technologies such as unmanned aerial vehicles as aerial base stations, reconfigurable intelligent sur- faces, and multi-user multiple input, multiple output systems for a seamless user experience. The core of the dissertation explores how DRL can adaptively manage spectrum resources that satisfy the QoS requirements of different 5G service classes, specifically enhanced mobile broadband and ultra-reliable low-latency communications, while also facilitating the integration of terrestrial and aerial network nodes to enhance coverage and capacity. This dissertation further extends into the domain of coexistence between active wireless communication systems and passive remote sensing technologies. We collect radiometric measurement data in a custom-built software-defined radio testbed for which we design different 5G downlink transmission patters and data sets. Based on the collected and processed data from the testbed’s radiometer, we propose a DRL-based strategy to manage 5G communications while reducing the RF interference impact on co-channel radiometric measurements. Through simulations, the proposed solution demonstrates the tradeoffs between communications and sensing operations in terms of common wireless network performance met- rics, such as sum data rate and user fairness, and brightness temperature readings obtained by the radiometer.

Underlay signaling is a robust physical layer technique, allowing for transmitting a very low power signal in conjunction with the primary signals across the entire frequency band of the primary signals. The secondary users of the secondary network (i.e., a wireless network consisting of primary and secondary networks) primarily utilize the underlay, which increases spectral efficiency and improves the network capacity. This thesis focuses on underlay signaling in the context of the cellular (primary) network, where the underlay is an auxiliary channel made available to the primary users and the network, that is, the base stations and users of the cellular network. The current fifth-generation (5G) cellular networks are constructed using Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation. Hence, this thesis delves into the study of underlay coexistence with OFDM, specifically 5G, by performing extensive simulations and analytical analysis and investigating the impact of underlay signaling on the throughput performance of 5G networks. We develop the underlay signaling based on the frequency-domain spread spectrum and add the underlay signal prior to the Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) operation of OFDM. Furthermore, we present a real 5G setup built on the srsRAN project, where we showcase a proof-of-concept demonstration of underlay coexistence with the 5G over the air, where the 5G base station transmits both 5G NR and underlay signal simultaneously. Through our research, we conclusively demonstrate that a low-data rate underlay signal can be successfully transmitted alongside the existing 5G signal. Our study concludes by carefully selecting the appropriate design parameters, such as the signal-to-interference power level (5G power in relation to underlay), spreading factor, and coding gain at which we can reliably detect and decode underlay signals having no impact on the 5G performance. The integration of underlay in 5G brings forth a multitude of benefits using underlay for military and tactical applications, massive Machine Type Communications (mMTC) alongside Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC), and the offloading of crucial control information of 5G to the underlay channel. Thus, this underlay operates as a low-data rate error-free conduit, with the potential to provide Low Probability of Interception (LPI) and Low Probability of Detection (LPD) attributes and heightened reliability while concurrently transmitting with the 5G NR, bolstering the overall effectiveness of the communication. / Master of Science / Underlay signaling is a technique that allows for transmitting a low-power signal alongside the primary signals, occupying the entire frequency band of the primary signals. The secondary users of the secondary network (i.e., a wireless network consisting of primary and secondary networks) primarily utilize the underlay, which increases spectral efficiency and improves the network capacity. This thesis focuses on underlay signaling in the context of cellular (primary) networks where the underlay is an auxiliary channel made available to the primary users and network, that is, the base stations and users of the cellular network. The current fifth-generation (5G) cellular networks are constructed using Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation. OFDM is a multicarrier modulation scheme that divides the available frequency band into multiple narrow subcarriers, each carrying a portion of the data. The key advantage of OFDM is its ability to combat frequency-selective fading, where different frequencies experience different levels of fading and interference. By using many closely spaced sub-carriers, OFDM can effectively mitigate the impact of fading, allowing for robust and reliable communication even in challenging channel conditions. Thus, this thesis investigates the co-existence of underlay signaling and OFDM in 5G. We develop the underlay signaling based on the frequency-domain spread spectrum. Extensive simulations and analytical analysis are performed to understand the impact of underlay signaling on OFDM performance in terms of bit error rates and throughput. Additionally, a real 5G setup is presented, demonstrating a proof-of-concept of underlay co-existence with 5G NR, where the 5G base station transmits both 5G NR and underlay signal simultaneously. Through the research, it is conclusively demonstrated that a low-data rate error-free underlay signal can be successfully transmitted alongside the existing 5G signal. The integration of underlay in 5G brings forth a multitude of benefits using underlay for military and tactical applications, massive Machine Type Communications (mMTC) alongside Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC), and the offloading of crucial control information of 5G to the underlay channel. Thus, this underlay operates as a low-data rate error-free conduit, characterized by its low interception and low detection attributes, enhancing reliability while concurrently transmitting with 5G NR, bolstering the overall effectiveness of the communication.

In telecommunication, messages sent through a wireless medium often experience noise interfering with the signal in a way that corrupts the messages. As the demand for high throughput in the mobile network is increasing, algorithms that can detectand correct these corrupted messages quickly and accurately are of interest to the industry. Polar codes have been chosen by the Third Generation Partnership Project as the error correction code for 5G New Radio control channels. This thesis work aimed to investigate whether the polar code Successive Cancellation (SC) could be parallelized and if a graphics processing unit (GPU) can be utilized to optimize the execution time of the algorithm. The polar code Successive Cancellation was enhanced by implementing tree pruning and support for GPUs to leverage their parallelization. The difference in execution time between the concurrent and sequential versions of the SC algorithm with and without tree pruning was evaluated. The tree pruning SC algorithm almost always offered shorter execution times than the SC algorithm that did not employ treepruning. However, the support for GPUs did not reduce the execution time in these tests. Thus, the GPU is not certain to be able to improve this type of enhanced SC algorithm based on these results. / Meddelanden som överförs över ett mobilt nät utsätts ofta för brus som distorterar dem. I takt med att intresset ökat för hög genomströmning i mobilnätet har också intresset för algoritmer som snabbt och tillförlitligt kan upptäcka och korrigera distorderade meddelanden ökat. Polarkoder har valts av "Third Generation Partnership Project" som den klass av felkorrigeringskoder som ska användas för 5G:s radiokontrollkanaler. Detta examensarbete hade som syfte att undersöka om polarkoden "Successive Cancellation" (SC) skulle kunna parallelliseras och om en grafisk bearbetningsenhet (GPU) kan användas för att optimera exekveringstiden för algoritmen. SC utökades med stöd för trädbeskärning och parallellisering med hjälp av GPU:er. Skillnaden i exekveringstid mellan de parallella och sekventiella versionerna av SC-algoritmen med och utan trädbeskärning utvärderades. SC-algoritmen för trädbeskärning erbjöd nästan alltid kortare exekveringstider än SC-algoritmen som inte använde trädbeskärning. Stödet för GPU:er minskade dock inte exekveringstiden. Således kan man med dessa resultat inte med säkerhet säga att GPU-stöd skulle gynna SC-algoritmen.

[ES] La llegada de la próxima generación del estándar de comunicaciones móviles, la llamada quinta generación (5G), es prácticamente una realidad. Las primeras redes comerciales han comenzado a ser desplegadas, centrándose en ofrecer altas velocidades de transferencia de datos. Sin embargo, el estándar 5G va mucho más allá y prevé dar soporte a nuevos servicios que pretenden revolucionar la sociedad. Estos nuevos servicios imponen un nivel alto de requisitos en no solo en cuanto a velocidad del tráfico de datos, sino en cuanto a latencia o número de dispositivos conectados simultáneamente. La amplia variedad de requisitos no puede ser soportada por las redes de cuarta generación (4G), por lo que se hizo necesario plantear un nuevo paradigma para las redes inalámbricas. Con la promesa de grandes cantidades de ancho de banda sin utilizar, el estándar 5G contempla utilizar frecuencias en la comúnmente conocida como banda de milimétricas (mmWave). Esta banda presenta grandes pérdidas de propagación, que se acentúan si existen bloqueos de señal. Actividades regulatorias del uso de las bandas de milimétricas atrajo el interés tanto de la industria como de la academia en plantear soluciones para dar servicio en estas bandas. En los últimos años se han presentado infinidad de trabajos basados en sistemas con múltiples antenas o MIMO, para conformar las señales transmitidas o recibidas en haces apuntando en determinadas direcciones. La ganancia que aportan los sistemas MIMO pueden compensar las altas pérdidas de propagación, asegurando la viabilidad de las comunicaciones mmWave. Se ha detectado una evidente falta de estudios sobre la viabilidad de sistemas MIMO en entornos móviles y dinámicos con bloqueos que hagan necesario que el sistema se reconfigure. Esta Tesis pretende cubrir este espacio desde un enfoque práctico y propone mecanismos de gestión de los haces para hacerles un seguimiento utilizando los recursos y mecanismos del nuevo estándar 5G. Las soluciones aportadas se basan en el uso eficiente de los reportes de medidas de las señales de referencia estandarizadas en enlace descendente. En primer lugar, esta Tesis recoge un análisis minucioso del estado del arte, donde se corrobora la necesidad de aportar soluciones de seguimiento de haces en sistemas de comunicaciones en la banda de milimétricas. Además, se estudian los diferentes mecanismos definidos en el estándar 5G y que posibilitan el seguimiento. Cabe destacar que el estándar no define un mecanismo único a seguir, permitiendo presentar propuestas. Una vez conocidas las tecnologías, se centra el estudio en el impacto del seguimiento sobre las prestaciones a nivel de red y de enlace. Dicho estudio se realiza sobre un sistema punto a punto, donde el terminal móvil se desplaza por un entorno urbano. En base a simulaciones de red, se cuantifica el índice de seguimiento de haz y de cómo dicho seguimiento afecta a la relación señal a ruido más interferencia (SINR) y la tasa de transmisión del usuario. Las soluciones de seguimiento propuestas en esta Tesis se pueden clasificar en dos categorías. En una primera categoría, se realiza el seguimiento en base a reportes de medidas de las señales de referencia. Independientemente de la velocidad, se alcanza un seguimiento del 91% con poca penalización en la tasa de transmisión si se monitorizan los haces de interés con una periodicidad menor de 20 ms. En la segunda categoría caben mecanismos de seguimiento que hacen uso de fuentes externas de información. Dentro de esta categoría, se propone un fingerprinting que relacione haces con la localización reportada y un modelo de machine learning (ML) que prediga los haces a utilizar. El fingerprinting proporciona los mismos niveles de rendimiento. Sin embargo, esta solución es muy sensible a errores y requiere considerar todos los casos posibles, lo que la hace tecnológicamente inviable. En cambio, el modelo de ML, que hace p / [CA] L'arribada de la següent generació de l'estàndard de comunicacions mòbils, l'anomenada cinquena generació (5G), es pràcticament una realitat. Les primeres xarxes comercials han començat a desplegar-se i s'han centrat en oferir altes velocitats de transferència de dades. No obstant, l'estàndard 5G va molt mes allà y preveu donar suport a nous serveis que pretenen revolucionar la societat. Estos nous serveis imposen un alt nivell de requisits no sols en quant a velocitat de tràfic de dades, si no també en quant a latència o número de connexions simultànies. L'ampla varietat de requisits no es suportada per les xarxes de quarta generació (4G) actuals, per el qual es va fer necessari un nou paradigma de xarxes sense fil. Amb la promesa de amplies quantitats d'ample de banda, l'estàndard 5G contempla utilitzar freqüències a la banda de mil·limètriques. Esta banda presenta l'inconvenient d'experimentar grans pèrdues de propagació, que s'accentuen en cas de bloqueigs. L'apertura de les bandes de mil·limètriques va atraure l'interès tant de l'industria com de l'acadèmia en plantejar solucions per a donar servei en estes bandes. En els últims anys s'han presentat infinitat de treballs basats en sistemes amb múltiples antenes o MIMO, per a conformar els senyals transmesos o rebuts en feixos apuntant en determinades direccions d'interès. El guany de feix es pot utilitzar per a compensar les pèrdues de propagació, assegurant la viabilitat de les comunicacions en la banda de mil·limètriques. No obstant això, s'ha detectat una preocupant manca d'estudis sobre la viabilitat d'estos sistemes en entorns mòbils i dinàmics, amb obstacles que bloquejen els feixos i facen necessari que el sistema es reconfigure. El present treball de Tesi pretén cobrir este espai buit i des d'un punt de vista pràctic, es proposen mecanismes de gestió dels feixos per a ser el seguiment utilitzant els recursos i mecanismes dels que disposa l'estàndard 5G. D'esta manera, les solucions aportades es basen en la utilització eficient dels reports de mesures dels senyals de referència del enllaç descendent. En primer lloc, esta Tesi recull una anàlisi minuciosa de l'estat de l'art on es corrobora la necessitat de aportar solucions de seguiment de feixos per a comunicacions en la banda de freqüències mil·limètriques. A més a més, s'estudien els diferents mecanismes definits a l'estàndard 5G i que possibiliten el seguiment. Cap destacar que l'estàndard no defineix un mecanisme únic, si no que deixa la porta oberta a presentar propostes. Una vegada conegudes les tecnologies, l'estudi es centra en l'impacte del seguiment sobre les prestacions a nivell de xarxa i d'enllaç. Este estudi es realitza sobre un sistema MIMO punt a punt, en una única estació base i un terminal mòbil desplaçant-se en un entorn urbà. En base a simulacions d'extrem a extrem, es quantifica l'índex de seguiment de feix i com l'anomenat seguiment afecta a la relació senyal a soroll més interferència (SINR) i a la taxa instantània de transmissió de l'usuari. Les solucions de seguiment de feixos propostes a la Tesi es poden classificar en dos categories. A la primera categoria, el seguiment de feixos es realitza en base als reports de mesures dels senyals de referència. Independentment de la velocitat, s'arriba a una taxa de seguiment del 91% amb poca penalització de taxa de transmissió si els feixos d'interès es mesuren amb una periodicitat menor a 20 ms. A la segona categoria pertanyen els algoritmes que utilitzen fonts d'informació externes. Dins d'aquesta categoria es proposa un fingerprinting que relaciona un parell de feixos amb la ubicació de l'usuari, i a banda un model d'intel·ligència artificial (IA) que preveu el feix a utilitzar. El fingerprinting ofereix el mateix rendiment. Però, esta solució es molt sensible a errors i requereix considerar tots els casos possibles, fent-la tecnològicament inviable. En canvi, el / [EN] The arrival of the next generation of mobile communication standards, the so-called Fifth Generation (5G), is already a reality. The first commercial networks have begun to be deployed, and they focus on providing higher data rates. However, the 5G standard goes much further from that and aims at providing support to new services which will revolutionise the society. These new services impose a high level of requirements not only in terms of the data traffic speed, but also in terms of very low latency or incredibly large number of simultaneous connections. This wide variety of requirements cannot be technologically supported by the current Fourth Generation (4G) networks, so it became necessary to move forward with a new paradigm for wireless networks. With the promise of large amounts of bandwidth, in the order of GHz, the 5G standard contemplates the use of frequencies in the commonly known Millimetre Wave (mmWave) band. The mmWave band experiences large propagation losses, which are accentuated in blockage events. Regulatory activities worldwide in the mmWave bands attracted the interest of both the industry and the academia. In the last few years, a tremendous number of contributions on mmWave propagation studies and networks have appeared, most of them based on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) solutions. MIMO architectures allow to beamform, which focuses the radiated energy on certain directions of interest called beams. The additional beam gain compensates the high propagation losses, ensuring the viability of the communications in the mmWave band. There is an evident lack of viability studies of mmWave MIMO systems in mobile and highly-dynamic environments, where obstacles may block beams and forcing frequent re-configurations. This Thesis work aims to fill this gap from a practical approach. This Thesis proposes beam management mechanisms utilising the mechanisms and resources offered by the Third Generation Partnership Project (3GPP) 5G radio access standard: 5G New Radio (NR). The practical solutions are based on the efficient use of measurement reports of standardised downlink Reference Signals (RS). In first place, this Thesis provides a thorough state-of-the-art analysis and corroborates the need of adopting beam tracking solutions for mmWave networks. Then, a complete overview of the 5G standard mechanisms that enable beam tracking is given. The NR standard does not define a standardised mechanism for beam tracking, leaving the door open to proposals to carry out such monitoring. Once the technologies have been identified, the Thesis continues with assessing the impact of the beam tracking strategies on the network and link-level performance. The study is focused on individual point-to-point mmWave links in a realistic urban environment. Based on end-to-end network simulations, the Thesis is interested in assessing the beam tracking success ratio and how beam misalignment affects the perceived Signal to Noise plus Interference Ratio (SINR) and user throughput at pedestrian and vehicular speeds. The beam tracking solutions proposed in this Thesis fall into two categories. The first category monitors beams based on measuring and reporting beamformed RS. Regardless of the speed, this beam tracking category provides up to 91 % tracking performance, with little throughput reduction if the beams of interest are measured with a periodicity below 20 ms. Beam tracking in the second category relies on external information sources. Within this category, this Thesis proposes a fingerprinting database relating beams to the user position and a machine learning (ML) model. Fingerprinting beam tracking is technologically viable and provides similar performance levels. However, this solution is very sensitive to errors and requires considering all possible situations. The ML beam tracking, which makes predictions with a 16 % of estimation error for the reference data set. / I want to thank the Spanish Ministry of Education and Professional Formation for funding this Thesis work with an official pre-doctoral contract grant. / Herranz Claveras, C. (2019). Beam Tracking Strategies for 5G New Radio Networks Operating in the Millimetre Wave Bands [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130845

Providing mobile broadband (MBB) coverage to passengers in planes (and other yingobjects) has been one of the very important requirements by airline industry for sometime. With the emergence of high-capacity wireless network concepts, there is a renewedeort in dening systems based on 5G (also dened as NR, new radio) for air-to-ground(A2G) communication. When passenger planes have been taken into consideration, a fewhundreds of passengers may need to be supported, thus requiring a high-capacity backhaullink. When 5G is used for such A2G link, beamforming and other advanced physicallayer techniques can be used between the ground stations and ying objects to obtainhigh-data rate and reliable new radio link. This masters thesis work includes link andsystem level evaluations of such NR systems when beamforming, large bandwidth, higherantenna gains, coordination between ground stations, etc., are deployed. The evaluationswere carried out in Ericsson's internal state-of-the-art simulators. The study providesbaseline for system design principles for future A2G system based on NR. Also a properpropagation model for A2G communication has been identied and beamforming solutionwith other related techniques that could be used in A2G scenario have been investigated. / Att tillhandahålla mobil bredbandstäckning till passagerare i flygplan (samt andraluftburna föremål) har varit ett viktigt krav från flygsindustrin på senare tid. Medframväxten av trådlösa nätverkskoncept med hög kapacitet har en förnyad insats uppståttför att definiera system baserade på 5G (också kallat New Radio (NR)) för Airplane-to-Ground (A2G) kommunikation. För passagerarplan så kan hundratals passagerare behövatäckning, vilket kräver en backhaul-länk med hög kapacitet. När 5G används för en sådanA2G-länk så kan såkallad lobformning och andra avancerade tekniker användas mellanmarkstationerna och flygande objekt för att erhålla hög datahastighet och tillförlitlig radiolänk. I denna uppsats ingår länk- och systemnivåutvärderningar av sådana NR-systemnär lobformning, stor bandbredd, antenn-amplifikation, koordinering mellan markstationeretc utplaceras. Utvärderingarna genomfördes i Ericssons interna simulatorer. Studienger vägledning för principer inom systemdesign för framtida A2G-system baserat på NR.En lämplig utbredningsmodell för radiovågor för A2G-kommunikation har identifieratsoch en metod för lobformning och andra relaterade tekniker som kan användas i A2Gscenariothar också undersökts.

Low-Density Parity-Check (LDPC) codes are linear error-correcting codes used to establish reliable communication between units on a noisy transmission channel in mobile telecommunications. LDPC algorithms detect and recover altered or corrupted message bits using sparse parity-check matrices in order to decipher messages correctly. LDPC codes have been shown to be fitting coding schemes for the fifth generation (5G) New Radio (NR), according to the third generation partnership project (3GPP).  TietoEvry, a consultant in telecom, has discovered that optimizations of LDPC decoding algorithms can be achieved/obtained with the use of a parallel computing platform called Compute Unified Device Architecture (CUDA), developed by NVIDIA. This platform utilizes the capabilities of a graphics processing unit (GPU) rather than a central processing unit (CPU), which in turn provides parallel computing. An optimized version of an LDPC decoding algorithm, the Min-Sum Algorithm (MSA), is implemented in CUDA and in C++ for comparison in terms of CPU execution time, to explore the capabilities that CUDA offers. The testing is done with a set of 12 sparse parity-check matrices and input-channel messages with different sizes. As a result, the CUDA implementation executes approximately 55% faster than a standard, unoptimized C++ implementation.

[ES] La estandarización de la Quinta Generación de redes móviles o 5G, ha concluido este año 2020. No obstante, en el año 2014 cuando la ITU empezó el proceso de estandarización IMT-2020, una de las principales interrogantes era cuál sería la forma de onda sobre la cual se construiría la capa física de esta nueva generación de tecnologías. El 3GPP se comprometió a entregar una tecnología candidata al proceso IMT-2020, y es así como dentro de este proceso de deliberación se presentaron varias formas de onda candidatas, las cuales fueron evaluadas en varios aspectos hasta que en el año 2016 el 3GPP tomó una decisión, continuar con CP-OFDM (utilizada en 4G) con numerología flexible. Una vez decidida la forma de onda, el proceso de estandarización continuó afinando la estructura de la trama, y todos los aspectos intrínsecos de la misma. Esta tesis acompañó y participó de todo este proceso. Para empezar, en esta disertación se evaluaron las principales formas de onda candidatas al 5G. Es así que se realizó un análisis teórico de cada forma de onda, destacando sus fortalezas y debilidades, tanto a nivel de implementación como de rendimiento. Posteriormente, se llevó a cabo una implementación real en una plataforma Software Defined Radio de tres de las formas de onda más prometedoras (CP-OFDM, UFMC y OQAM-FBMC), lo que permitió evaluar su rendimiento en términos de la tasa de error por bit, así como la complejidad de su implementación. Esta tesis ha propuesto también el uso de una solución armonizada como forma de onda para el 5G y sostiene que sigue siendo una opción viable para sistemas beyond 5G. Dado que ninguna de las forma de onda candidatas era capaz de cumplir por sí misma con todos los requisitos del 5G, en lugar de elegir una única forma de onda se propuso construir un transceptor que fuese capaz de construir todas las principales formas de onda candidatas (CP-OFDM, P-OFDM, UFMC, QAM-FBMC, OQAM-FBMC). Esto se consiguió identificando los bloques comunes entre las formas de onda, para luego integrarlos junto con el resto de bloques indispensables para cada forma de onda. La motivación para esta solución era tener una capa física que fuese capaz de cumplir con todos los aspectos del 5G, seleccionando siempre la mejor forma de onda según el escenario. Esta propuesta fue evaluada en términos de complejidad, y los resultados se compararon con la complejidad de cada forma de onda. La decisión de continuar con CP-OFDM con numerología flexible como forma de onda para el 5G se puede considerar también como una solución armonizada, ya que al cambiar el prefijo cíclico y el número de subportadoras, cambian también las prestaciones del sistema. En esta tesis se evaluaron todas las numerologías propuestas por el 3GPP sobre cada uno de los modelos de canal descritos para el 5G (y considerados válidos para sistemas beyond 5G), teniendo en cuenta factores como la movilidad de los equipos de usuario y la frecuencia de operación; para esto se utilizó un simulador de capa física del 3GPP, al que se hicieron las debidas adaptaciones con el fin de evaluar el rendimiento de las numerologías en términos de la tasa de error por bloque. Finalmente, se presenta un bosquejo de lo que podría llegar a ser la Sexta Generación de redes móviles o 6G, con el objetivo de entender las nuevas aplicaciones que podrían ser utilizadas en un futuro, así como sus necesidades. Completado el estudio llevado a cabo en esta tesis, se puede afirmar que como se propuso desde un principio la solución, tanto para el 5G como para beyond 5G, la solución es la armonización de las formas de onda. De los resultados obtenidos se puede corroborar que una solución armonizada permite alcanzar un ahorro computacional entre el 25-40% para el transmisor y del 15-25% para el receptor. Además, fue posible identificar qué numerología CP-OFDM es la más adecuada para cada escenario, lo que permitiría optimizar el diseño y despliegue de las redes 5G. Esto abriría la puerta a hacer lo mismo con el 6G, ya que en esta tesis se considera que será necesario abrir nuevamente el debate sobre cuál es la forma de onda adecuada para esta nueva generación de tecnologías, y se plantea que el camino a seguir es optar por una solución armonizada con distintas formas de onda, en lugar de solo una como sucede con el 5G. / [CA] L'estandardització de la Quinta Generació de xarxes mòbils o 5G, ha conclòs enguany 2020. No obstant això, l'any 2014 quan la ITU va començar el procés d'estandardització IMT-2020, uns dels principals interrogants era quina seria la forma d'onda sobre la qual es construiria la capa física d'esta nova generació de tecnologies. El 3GPP es va comprometre a entregar una tecnologia candidata al procés IMT-2020, i és així com dins d'este procés de deliberació es van presentar diverses formes d'onda candidates, les quals van ser avaluades en diversos aspectes fins que l'any 2016 el 3GPP va prendre una decisió, continuar amb CP-OFDM (utilitzada en 4G) amb numerología flexible. Una vegada decidida la forma d'onda, el procés d'estandardització va continuar afinant la frame structure (no se m'ocorre nom en espanyol), i tots els aspectes intrínsecs de la mateixa. Esta tesi va acompanyar i va participar de tot este procés. Per a començar, en esta dissertació es van avaluar les principals formes d'onda candidates al 5G. És així que es va realitzar una anàlisi teòrica de cada forma d'onda, destacant les seues fortaleses i debilitats, tant a nivell d'implementació com de rendiment. Posteriorment, es va dur a terme una implementació real en una plataforma Software Defined Radio de tres de les formes d'onda més prometedores (CP-OFDM, UFMC i OQAM-FBMC), la qual cosa va permetre avaluar el seu rendiment en termes de la taxa d'error per bit, així com la complexitat de la seua implementació. Esta tesi ha proposat també l'ús d'una solució harmonitzada com a forma d'onda per al 5G i sosté que continua sent una opció viable per a sistemes beyond 5G. Atés que cap de les forma d'onda candidates era capaç de complir per si mateixa amb tots els requeriments del 5G, en compte de triar una única forma d'onda es va proposar construir un transceptor que fóra capaç de construir totes les principals formes d'onda candidates (CP-OFDM, P-OFDM, UFMC, QAM-FBMC, OQAM-FBMC). Açò es va aconseguir identificant els blocs comuns entre les formes d'onda, per a després integrar-los junt amb la resta de blocs indispensables per a cada forma d'onda. La motivació per a esta solució era tindre una capa física que fóra capaç de complir amb tots els aspectes del 5G, seleccionant sempre la millor forma d'onda segons l'escenari. Esta proposta va ser avaluada en termes de complexitat, i els resultats es van comparar amb la complexitat de cada forma d'onda. La decisió de continuar amb CP-OFDM amb numerología flexible com a forma d'onda per al 5G es pot considerar també com una solució harmonitzada, ja que al canviar el prefix cíclic i el número de subportadores, canvien també les prestacions del sistema. En esta tesi es van avaluar totes les numerologías propostes pel 3GPP sobre cada un dels models de canal descrits per al 5G (i considerats vàlids per a sistemes beyond 5G), tenint en compte factors com la mobilitat dels equips d'usuari i la freqüència d'operació; per a açò es va utilitzar un simulador de capa física del 3GPP, a què es van fer les degudes adaptacions a fi d'avaluar el rendiment de les numerologías en termes de la taxa d'error per bloc. Finalment, es presenta un esbós del que podria arribar a ser la Sexta Generació de xarxes mòbils o 6G, amb l'objectiu d'entendre les noves aplicacions que podrien ser utilitzades en un futur, així com les seues necessitats. Completat l'estudi dut a terme en esta tesi, es pot afirmar que com es va proposar des d'un principi la solució, tant per al 5G com per a beyond 5G, la solució és l'harmonització de les formes d'onda. dels resultats obtinguts es pot corroborar que una solució harmonitzada permet aconseguir un estalvi computacional entre el 25-40% per al transmissor i del 15-25% per al receptor. A més, va ser possible identificar què numerología CP-OFDM és la més adequada per a cada escenari, la qual cosa permetria optimitzar el disseny i desplegament de les xarxes 5G. Açò obriria la porta a fer el mateix amb el 6G, ja que en esta tesi es considera que serà necessari obrir novament el debat sobre quina és la forma d’onda adequada per a esta nova generació de tecnologies, i es planteja que el camí que s’ha de seguir és optar per una solució harmonitzada amb distintes formes d’onda, en compte de només una com succeïx amb el 5G. / [EN] The standardization of the Fifth Generation of mobile networks or 5G is still ongoing, although the first releases of the standard were completed two years ago and several 5G networks are up and running in several countries around the globe. However, in 2014 when the ITU began the IMT-2020 standardization process, one of the main questions was which would be the waveform to be used on the physical layer of this new generation of technologies. The 3GPP committed to submit a candidate technology to the IMT-2020 process, and that is how within this deliberation process several candidate waveforms were presented. After a thorough evaluation regarding several aspects, in 2016 the 3GPP decided to continue with CP-OFDM (used in 4G) but including, as a novelty, the use of a flexible numerology. Once the waveform was decided, the standardization process continued to fine-tune the frame structure and all the intrinsic aspects of it. This thesis accompanied and participated in this entire process. To begin with, this dissertation evaluates the main 5G candidate waveforms. Therefore, a theoretical analysis of each waveform is carried out, highlighting its strengths and weaknesses, both at the implementation and performance levels. Subsequently, a real implementation on a Software Defined Radio platform of three of the most promising waveforms (CP-OFDM, UFMC, and OQAM-FBMC) is presented, which allows evaluating their performance in terms of bit error rate, as well as the complexity of its implementation. This thesis also proposes the use of a harmonized solution as a waveform for 5G and argues that it remains a viable option for systems beyond 5G. Since none of the candidate waveforms was capable of meeting on its own with all the requirements for 5G, instead of choosing a single waveform, this thesis proposes to build a transceiver capable of building all the main waveforms candidates (CP-OFDM, P-OFDM, UFMC, QAM-FBMC, OQAM-FBMC). This is achieved by identifying the common blocks between the waveforms and then integrating them with the rest of the essential blocks for each waveform. The motivation for this solution is to have a physical layer that is capable of complying with all aspects of beyond 5G technologies, always selecting the best waveform according to the scenario. This proposal is evaluated in terms of complexity, and the results are compared with the complexity of each waveform. The decision to continue with CP-OFDM with flexible numerology as a waveform for 5G can also be considered as a harmonized solution, since changing the cyclic prefix and the number of subcarriers, changes also the performance of the system. In this thesis, all the numerologies proposed by the 3GPP are evaluated on each of the channel models described for 5G (and considered valid for beyond 5G systems), taking into account factors such as the mobility of the user equipment and the operating frequency. For this, a 3GPP physical layer simulator is used, and proper adaptations are made in order to evaluate the performance of the numerologies in terms of the block error rate. Finally, a sketch of what could become the Sixth Generation of mobile networks or 6G is presented, with the aim of understanding the new applications that could be used in the future, as well as their needs. After the completion of the study carried out in this thesis, it can be said that, as stated from the beginning, for both 5G and beyond 5G systems, the solution is the waveform harmonization. From the results obtained, it can be corroborated that a harmonized solution allows achieving computational savings between 25-40% for the transmitter and 15-25% for the receiver. In addition, it is possible to identify which CP-OFDM numerology is the most appropriate for each scenario, which would allow optimizing the design and deployment of 5G networks. This would open the door to doing the same with 6G, i.e., a harmonized solution with different waveforms, instead of just one as in 5G. / Flores De Valgas Torres, FJ. (2020). Study on Air Interface Variants and their Harmonization for Beyond 5G Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/164442

Channel coding plays a vital role in telecommunication. Low-Density Parity- Check (LDPC) codes are linear error-correcting codes. According to the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) TS 38.212, LDPC is recommended for the Fifth-generation (5G) New Radio (NR) shared channels due to its high throughput, low latency, low decoding complexity and rate compatibility. LDPC encoding chain has been defined in 3GPP TS 38.212, but some details of LDPC encoding chain are still required to be explored in the MATLAB environment. For example, how to deal with the filler bits for encoding and decoding. However, as the reverse process of LDPC encoding, there is no information on LDPC decoding process for 5G NR shared channels in 3GPP TS 38.212. In this thesis project, LDPC encoding and decoding chains were thoughtfully developed with MATLAB programming based on 3GPP TS 38.212. Several LDPC decoding algorithms were implemented and optimized. The performance of LDPC algorithms was evaluated using block error rate (BLER) v.s. signal to noise ratio (SNR) and CPU time. Results show that the double diagonal structure-based encoding method is an efficient LDPC encoding algorithm for 5G NR. Layered Sum Product Algorithm (LSPA) and Layered Min-Sum Algorithm (LMSA) are more efficient than Sum Product Algorithm (SPA) and Min-Sum Algorithm (MSA). Layered Normalized Min-Sum Algorithm (LNMSA) with proper normalization factor and Layered Offset Min-Sum Algorithm (LOMSA) with good offset factor can optimize LMSA. The performance of LNMSA and LOMSA decoding depends more on code rate than transport block. / Kanalkodning spelar en viktig roll i telekommunikation. Paritetskontrollkoder med låg densitet (LDPC) är linjära felkorrigeringskoder. Enligt tredje generationens partnerskapsprojekt (3GPP) TS 38.212, LDPC rekommenderas för den femte generationens (5G) nya radio (NR) delade kanal på grund av dess höga genomströmning, låga latens, låga avkodningskomplexitet och hastighetskompatibilitet. LDPC kodningskedjan har definierats i 3GPP TS 38.212, men vissa detaljer i LDPC kodningskedjan krävs fortfarande för att utforskas i Matlabmiljön. Till exempel hur man hanterar fyllnadsbitar för kodning och avkodning. Men som den omvända processen för LDPC kodning finns det ingen information om LDPC avkodningsprocessen för 5G NR delade kanaler på 3GPP TS 38.212. I detta avhandlingsprojekt utvecklades LDPC-kodning och avkodningskedjor enligt 3GPP TS 38.212. Flera LDPC-avkodningsalgoritmer implementerades och optimerades. Prestandan för LDPC-algoritmer utvärderades med användning av blockfelshalt (BLER) v.s. signal / brusförhållande (SNR) och CPU-tid. Resultaten visar att den dubbla diagonala strukturbaserade kodningsmetoden är en effektiv LDPC kodningsalgoritm för 5G NR. Layered Sum Product Algorithm (LSPA) och Layered Min-Sum Algorithm (LMSA) är effektivare än Sum Product Algorithm (SPA) och Min-Sum Algorithm (MSA). Layered Normalized Min-Sum Algorithm (LNMSA) med rätt normaliseringsfaktor och Layered Offset Min-Sum Algorithm (LOMSA) med bra offsetfaktor kan optimera LMSA. Prestandan för LNMSA- och LOMSA-avkodning beror mer på kodhastighet än transportblock.

[ES] Esta disertación cubre el estado del arte en LTE eMBMS Release 14, también conocido como Enhanced Television Services (ENTV). ENTV trajo un conjunto de mejoras, tanto a nivel radio como a nivel de núcleo, que transformó a eMBMS en un estándar de televisión terrestre completo. La última versión de esta tecnología se denomina LTE-based 5G Broadcast; pero no usa New Radio ni el núcleo 5G. Para proveer una solución nativa 5G de servicios punto-a-multipunto, hubo investigación en entornos acad\'emicos y colaboraciones público-privada. La iniciativa más notable en este aspecto fue el proyecto del Horizon 2020 5G-Xcast, que transcurrió de 2017 a 2019. 5G-Xcast produjo varias soluciones a nivel de arquitectura, desde la perspectiva de provisión de contenidos, nuevas funciones de red interoperables con el núcleo 5G, hasta modificaciones a la interfaz aire basada en New Radio. Los hallazgos del proyecto están descritos en esta tesis. La tesis incluye dos ejemplos de eMBMS aplicados a verticales diferentes, una para el uso de eMBMS en entornos industriales, y otra presentando eMBMS como un sistema SAP. Incluir servicios punto-a-multipunto como un modo adicional celular trae algunos desafíos, como ya mostró la estandarización de eMBMS: las redes de radiodifusión terrestre y las redes celulares son muy distintas entre ellas. Encontrar una forma de onda viable para ambas infraestructuras es complejo. Esta tesis ofrece un punto de vista distinto al problema: un escenario de colaboración entre cadenas televisivas y operadores móviles, donde la infraestructura de radiodifusión y móvil son compartidas. Este concepto se ha definido como Convergence of Terrestrial and Mobile Networks. Las tecnologías elegidas para converger son ATSC 3.0 y 5G, usando el Advanced Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS). ATSSS está compuesto de una serie de procedimientos, interfaces, funciones de red, para permitir el uso compartido de un acceso 3GPP con uno non-3GPP, como Wi-Fi. Sin embargo, el uso de ATSSS para juntar radiodifusión y celular no es trivial, ya que ATSSS no fue dise\~ado para enlaces radio unidireccionales como ATSC 3.0. Estas limitaciones son descritas en detalle, y una propuesta para solventarlas tambi\'en está incluida. La solución se basa en Quick UDP Internet Connections (QUIC), y se usa como ejemplo para la provisión de Convergent Services (File Repair y Video Offloading). La tesis concluye con una descripción de Release 17 5MBS, con los nuevos conceptos introducidos. 5MBS es capaz de cambiar entre unicast, multicast y broadcast; dependiendo del servicio, la ubicación geográfica de los usuarios, y las capacidades de la infraestructura móvil involucradas. Para evaluar 5MBS, se ha realizado un estudio de prestaciones, basado en comunicaciones multicast dentro del núcleo de red 5G. Este prototipo 5MBS forma parte del laboratorio VLC Campus 5G, y utiliza el software comercial Open5GCore como base del desarrollo. El modelo de sistema para la experimentación esta formado por un servidor de vídeo, que se conecta al Open5GCore y a las funciones de red mejoradas con funcionalidades 5MBS. Estas funciones de red envían el contenido mediante punto-a-multipunto a un entorno radio y terminales simulados. Los resultados obtenidos resaltan el objetivo principal de la tesis: las comunicaciones punto-a-multipunto son una solución escalable para el envío de contenido multimedia en directo. / [CA] Aquesta dissertació cobreix capdavanter en LTE eMBMS Release 14, també conegut com Enhanced Television Services (ENTV). ENTV va portar un conjunt de millores, tant a nivell de ràdio com a nivell de nucli, que va transformar el eMBMS en un estàndard de televisió terrestre complet. La última versió d'aquesta tecnologia es denomina LTE-based 5G Broadcast; però no fa servir New Ràdio ni el nucli 5G. Per a proveir una solució nativa 5G de serveis punt-a-multipunt, va haver-hi investigació en entorns acadèmics i col·laboracions pública i privada. La iniciativa més notable en aquest aspecte va ser el projecte del Horizon 2020 5G-Xcast, que va transcórrer del 2017 a 2019. 5G-Xcast va produir diverses solucions a nivell d'arquitectura, des de la perspectiva de provisió de continguts, noves funcions de xarxa interoperables amb el nucli 5G, fins a modificacions a la interfície aire basada en New Radio. Les troballes del projecte estan descrits en aquesta tesi. La tesi inclou dos exemples de eMBMS aplicats a verticals diferents, una per a l'ús de eMBMS en entorns industrials, i una altra presentant eMBMS com un sistema SAP. Incloure serveis punt-a-multipunt com una manera addicional cel·lular duu alguns desafiaments, com ja va mostrar l'estandardització de eMBMS: les xarxes de radiodifusió terrestre i les xarxes cel·lulars són molt diferents entre elles. Trobar una forma d'ona viable per a totes dues infraestructures és complex. Aquesta tesi ofereix un punt de vista diferent al problema: un escenari de col·laboració entre cadenes televisives i operadors mòbils, on la infraestructura de radiodifusió i mòbil són compartides. Aquest concepte s'ha definit com Convergence of Terrestrial and Mobile Networks. Les tecnologies triades per a convergir són ATSC 3.0 i 5G, usant el Advanced Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS). ATSSS està compost d'una sèrie de procediments, interfícies, funcions de xarxa, per a permetre l'ús compartit d'un accés 3GPP amb un non-3GPP, com a Wi-Fi. No obstant això, l'ús de ATSSS per a adjuntar radiodifusió i cel·lular no és trivial, ja que ATSSS no va ser dissenyada per a per a enllaços ràdio unidireccionals com ATSC 3.0. Aquestes limitacions són descrites detalladament, i una proposta per a solucionar-les també està inclosa. La solució es basa en Quick UDP Internet Connections (QUIC), i s'usa com a exemple per a la provisió de Convergent Services (File Repair i Vídeo Offloading). La tesi conclou amb una descripció de Release 17 5MBS, amb els nous conceptes introduïts. 5MBS és capaç de canviar entre unicast, multicast i broadcast; depenent del servei, la ubicació geogràfica dels usuaris, i les capacitats de la infraestructura mòbil involucrades. Per a avaluar 5MBS, s'ha realitzat un estudi de prestacions, basat en comunicacions multicast dins del nucli de xarxa 5G. Aquest prototip 5MBS forma part del laboratori VLC Campus 5G, i utilitza el programari comercial Open5GCore com a base del desenvolupament. El model de sistema per a l'experimentació està format per un servidor de vídeo, que es connecta al Open5GCore i a les funcions de xarxa millorades amb funcionalitats 5MBS. Aquestes funcions de xarxa envien el contingut mitjançant punt-a-multipunt a un entorn ràdio i terminals simulats. Els resultats obtinguts ressalten l'objectiu principal de la tesi: les comunicacions punt-a-multipunt són una solució escalable per a l'enviament de contingut multimèdia en directe. / [EN] This dissertation covers the state-of-the-art in LTE eMBMS Release 14, also known as Enhanced Television Services (ENTV). ENTV provided a suite of radio and core enhancements that made eMBMS into a viable terrestrial broadcast standard. The latest iteration of this technology is known as LTE-based 5G Broadcast; even though it is not New Radio or 5G Core based. To bridge this gap, research efforts by academia, public and private enterprises evaluated how to provide a 5G-based solution for point-to-multipoint services. The most notable effort in this regard is the Horizon 2020 project 5G-Xcast, which ran from 2017 to 2019. 5G-Xcast provided several architectural solutions, from the content delivery perspective down to air interface specifics; providing new waveforms based on New Radio and Network Functions interoperable with a Release 15 5G Core. The findings are summarized in this thesis. Two examples of eMBMS applied to different verticals are included in the thesis, one for the use of eMBMS in industrial environments, and the other using eMBMS as a PWS technology. Providing point-to-multipoint services as another cellular service poses some problems, as the standardization process of eMBMS showed: the broadcast infrastructure is different than the cellular one. Having a waveform that is suited for both scenarios is a difficult endeavour. The thesis provides a new perspective into this problem: Having existing Terrestrial Broadcast standards and infrastructure be the point-to-multipoint solution of 5G, where mobile operators and broadcasters collaborate together. This is defined in the dissertation as Convergence of Terrestrial and Mobile Networks. The technologies chosen to be converged together were ATSC 3.0 and 5G; using the existing Release 16 framework known as Advanced Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS). ATSSS is a series of procedures, interfaces, new Network Functions, to allow the joint use of a 3GPP Access Network alongside a non-3GPP one, like Wi-Fi. However, the use of ATSSS for cellular plus broadcast brings challenges, as the ATSSS technology was not designed to be used with a unidirectional access network like ATSC 3.0. These limitations are described in detail, and an architectural proposal that overcomes the limitations is proposed. This solution is based on Quick UDP Internet Connections (QUIC), and how to provide Convergent Services (i.e File Repair and Video Offloading) is shown. The thesis concludes with a description of Release 17 5MBS, including the new concepts introduced. 5MBS features the capacity of switching between unicast, multicast and broadcast; depending on the service addressed, the geographical location of the users, and the capability of the RAN infrastructure targeted. In order to evaluate 5MBS, a performance study of the use of multicast inside the 5G Core has been carried out. The 5MBS prototype was developed as part of the VLC Campus 5G laboratory, using the commercial software Open5GCore which provides the libraries and Network Functions to deploy your own 5G Private Network in testing environments. The system model of the experiment is formed by a video server, connected to the Open5GCore and the 5MBS enhanced functions; which will deliver the content to an emulated RAN environment hosting virtual gNBs and devices. The results obtained reinforce the objective of the thesis, positioning point-to-multipoint as a scalable way to deliver live content. / Research projects: 5G-Xcast: Broadcast and Multicast Communication Enablers for the Fifth-Generation of Wireless Systems (H2020 No 761498); 5G-TOURS: SmarT mObility, media and e-health for toURists and citizenS (H2020 No 856950); FUDGE-5G: FUlly DisinteGrated private nEtworks for 5G verticals (H2020 No 957242). / Barjau Estevan, CS. (2022). Point-to-Multipoint Services on Fifth-Generation Mobile Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191408