Digital twin for reliable wireless communications

Abstract

Die hochzuverlässige Kommunikation mit kurzen Latenzzeit (ultra-reliable low-latency communication, URLLC) ist eine der drei Säulen der 5. Generation der drahtlosen Mobilkommunikation (5G) und darüber hinaus. Durch die Implementierung zuverlässiger drahtloser Kommunikation in hochdynamischen Umgebungen verspricht URLLC eine Vielzahl neuer Anwendungsfälle wie vernetzte Autos, intelligente Eisenbahnen und industrielle Automatisierung. Die strengen Zuverlässigkeits- und Latenzanforderungen von URLLC erfordern die Entwicklung von erschwinglichen und wiederholbaren Test- und Verifikationsmethoden. Dabei werden realistische und genaue geometriebasierte drahtlose Kanalmodelle als Schlüsselkomponente für ihre Realisierung angesehen. Exakte drahtlose Kanalmodelle erfordern die Erfassung von Messdaten, die die Grundlage für die Modellentwicklung und -optimierung bilden. In dieser Arbeit wird ein breitbandiges Funkkanal Messgerät auf der Basis von frei programmierbaren Funksysteme (software defined radio, SDR) vorgestellt, zusammen mit den Ergebnissen von Messkampagnen, die in verschiedenen Umgebungen durchgeführt wurden, nämlich auf der Straße, im Schienenverkehr und in Fabrikhallen. Das Messsystem nutzt ein skalierbares Messschema zur gleichzeitigen Erfassung von Impulsantworten zwischen mehreren Knotenpunkten und verwendet vorsynchronisierte Rubidium-Taktgeber, um den unabhängigen Betrieb aller Messknoten zu ermöglichen. Die Ergebnisse der Messkampagnen werden zur Charakterisierung der aufgezeichneten Kanäle verwendet, indem ihre zeitvariablen Statistiken im Verzögerungs- und Dopplerbereich analysiert werden. Diese Erkenntnisse werden dann zur Kalibrierung und Optimierung von Kanalmodellen für die entsprechenden Anwendungsfälle verwendet.Geometriebasierte stochastische Kanalmodelle (GSCMs) wurden aufgrund ihres Kompromisses zwischen Genauigkeit und Komplexität und ihrer Fähigkeit, die Eigenschaften zeitvariabler Funkkanäle zu erfassen, populär. Bestehende geometriebasierte Modelle berücksichtigen jedoch häufig nicht die umgebungsspezifischen Mehrwegekomponenten, die sich auf die Kanalstatistiken auswirken. Die in dieser Arbeit vorgestellten geometriebasierten stochastischen Kanalmodelle verwenden öffentlich verfügbare Karten, um die Geometriemodellierung zu automatisieren. Das vorgestellte Modell für die Eisenbahnkommunikation berücksichtigt diffuse Streuungen entlang der Gleise und Reflexionen zwischen den Zügen. Das vorgestellte GSCM für die Echtzeit-Kommunikation von Fahrzeugen enthält einen neuartigen Ansatz zur Modellierung großer Fahrzeuge. Beide Modelle zeigen eine hohe Genauigkeit im qualitativen und quantitativen Vergleich mit Messergebnissen.Um das vorgestellte Fahrzeugmodell zu verifizieren, wird es mit den Messdaten auf Link-Ebene abgeglichen, indem die Paketfehlerraten verglichen werden, die mit einem Hardware-in-the-Loop-Setup ermittelt wurden. Der Aufbau interpoliert Kanalimpulsantworten und leitet sie an einen drahtlosen Echtzeit-Kanalemulator weiter, der eine Verbindung zwischen zwei kommerziellen Fahrzeugkommunikationsmodems emuliert.Durch die Kombination von Mehrknoten-Kanalsondierungen mit hochgenauen Echtzeit-GSCMs und Hardware-in-the-Loop-Tests wird in dieser Arbeit ein digitaler Zwilling für die zuverlässige drahtlose Kommunikation vorgestellt. Unser digitaler Zwilling präsentiert ein Werkzeug zur sichern, und kostengünstigem Nutzung von echtzeit Regelung und Steuerung auf Basis von drahtloser URLLC bereitgestellt.

Ultra-reliable low-latency communication (URLLC) is one of the three pillars of the 5th generation standard in mobile wireless communications (5G) and beyond. By implementing reliable wireless communications in highly-dynamic environments such as vehicular, railway, and industrial production halls, URLLC promises to allow a plethora of new use cases including connected cars, smart railway and industrial automation. The stringent reliability and latency constraints imposed by URLLC require the development of affordable and repeatable testing and verification methodologies. Yet realistic and accurate geometry-based wireless channel models are a key component for their realization. Accurate wireless channel models require the acquisition of measurement data to provide the ground truth for model development and optimization. A broadband wireless channel sounder based on software defined radio components is presented in this thesis, together with the results of measurement campaigns performed in different environments, corresponding to different URLLC use cases. We analyze the measurement data for vehicular communication in an urban overtaking scenario, for railway communication scenarios, and for robot communication in a factory cell. The presented channel sounder utilizes a scalable sounding scheme to simultaneously measure impulse responses between multiple nodes and it uses pre-synchronized Rubidium clocks to allow the independent operation of all sounding nodes. The measurement results are used to characterize the recorded channels by analyzing their time-variant statistics in the delay and Doppler domain. These insights are then used to calibrate and optimize channel models for the corresponding use cases.Geometry-based stochastic channel models (GSCMs) offer a trade-off between accuracy and complexity, while accurately reflecting the characteristics of non-stationary wireless channels. However, existing geometry-based models often don't include environment-specific multi-path components that have an impact on the channel statistics. The geometry-based stochastic channel models described in this thesis use publicly available maps to automate geometry modeling. The model developed for railway communication includes diffuse scatterers along railway tracks and reflections between trains. The presented real-time vehicular communications GSCM includes a novel approach in modeling large obstructing vehicles. Both models show high-accuracy in qualitative and quantitative comparison with measurement results.To verify the presented vehicular model, it is matched against the measurement data at link-level by comparing packet error rates obtained through a hardware-in-the-loop setup. The setup interpolates channel impulse responses and streams them to a real-time wireless channel emulator that emulates a link between two commercial vehicular communication modems. %The obtained error rates are finally used to evaluate the reliability and latency of a vehicular relaying link and its compatibility with URLLC requirements.By combining multi-node channel sounding with highly accurate real-time geometry-based stochastic channel models and a hardware-in-the-loop setup, this thesis presents a digital twin for reliable wireless communications, thus, providing a tool for validating URLLC devices in defined scenarios.