Novel DWT-DAPSK based transceivers for DVB-T transmission and next generation mobile networks

Digital wireless communication has become one of the most exciting research topics in the electronic engineering field due to the explosive demands for high-speed wireless services, such as cellular video conferencing. The second generation Terrestrial Digital Video Broadcasting (DVB- T2) has been demonstrated to provide digital communication services with very high spectral efficiency and significantly improved performance. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems have been increasingly deployed in mobile networks for their spectral efficiency and optimum bit error rate. An OFDM system is a multi-carrier system which transmits signals from a single source at different frequencies simultaneously as parallel components. A distinguishing feature of the OFDM system is its ability to preserve high bandwidth efficiency in high speed data streams. Among the different types of OFDM systems, wavelet based systems have been demonstrated to have much better bandwidth and channel performance compared to the Discrete Fourier transform (DFT) and Discrete Cosine Transform (DCT) based systems. The DFT and DCT systems suffer from several disadvantages including less bandwidth efficiency due 'to the need for guard interval and highly complex system design. Discrete Wavelet transform (DWT) based OFDM systems naturally overcome these disadvantages by their design methodology and the technique of transmitting concentrated energy over small spectral coefficients. Several types of modulation schemes such as DPSK, QAM are employed in OFDM systems, which introduce certain penalties such as increased bandwidth and complexity of the system design. So a multilevel differential modulation technique namely Differential Amplitude and Phase Shift Keying (64 DAPSK) has been proposed as an alternative solution. DAPSK-OFDM is very suitable for high date-rate digital mobile radio channel with additive white Gaussian noise (A WGN). In this research work it has been f demonstrated that a combination of DWT -OFDM with DAPSK modulation can be employed to achieve very low peak-to-average power ratio (PAPR), improved bit error ratio (BER), and much reduced inter symbol interference (ISI) & inter-carrier interference (IeI) in wireless mobile network applications. A mathematical model has been proposed for the DWT-OFDM system with DAPSK modulation scheme in this work. The system performance has been evaluated via simulation using Matlab Simulink package and also verified using Matlab programming. This proposed DWT-OFDM with 64DAPSK hybrid system is demonstrated to have better BER (by an order of magnitude for an SNR of 25dB) performance and improved P APR (by 7.2dB) and interference values. It is also demonstrated that including companding with this system results in further reduction of PAPR. Finally, the simulation results also demonstrate that DWT-DAPSK scheme can be successfully employed in DVTB-T2 systems due to its very high spectral efficiency, much improved BER and significantly reduced PAPR performance

Oblique Sounding and HF Communication Techniques for Very Long Haul Ionospheric Links

El sistema de comunicació ràdio d’alta freqüència (HF, en anglès) és usat arreu del món per agències governamentals i no governamentals sempre que calgui una alternativa a les comunicacions via satèl•lit: vaixells a alta mar, avions fora de cobertura de xarxes ràdio amb visió directa, operacions militars, zones on la infraestructura ha estat destruïda per algun tipus de desastre o bé zones llunyanes sense cap altre tipus de comunicació. La ràdio HF representa una alternativa, o un sistema de backup al satèl•lit per a comunicacions de llarg abast i en redueix els costos, evita la vulnerabilitat i els problemes de sobirania. En aquesta tesi s’ha estudiat l’enllaç HF entre la base antàrtica espanyola Juan Carlos I, situada a l’illa Livingston a l’arxipèlag de les Shetland del Sud, i Espanya. L’objectiu d’aquest treball és estudiar els problemes que afecten la propagació; és a dir, la relació senyal a soroll i interferència, la dispersió multicamí i la dispersió per efecte Doppler, i dissenyar la capa física d’un enllaç HF de baixa velocitat, poca potència i llarg abast. Pel que fa aquest últim punt es fan un parell de propostes: espectre eixamplat per seqüència directa (DSSS, en anglès) i multiplexació per divisió en freqüència ortogonal (OFDM, en anglès). El repte que es planteja és el de la definició de les característiques dels símbols que millor encaixen en aquest canal per tal d’obtenir un benefici de la diversitat temporal i freqüencial que ofereix el canal. Des de l’any 2003 diverses campanyes han permès estudiar aquest canal HF, però no va ser fins la campanya 2009/2010 que s’obtingué un foto de les característiques, diürnes i nocturnes, de la ionosfera. En els articles que es presenten en aquesta tesi hem estès el rang freqüencial d’estudi respecte a investigacions prèvies i hem mostrat diferències de comportament entre el dia i la nit. Hem usat els resultats de la caracterització del canal per a dissenyar i comparar la bondat dels símbols DSSS i OFDM. Ambdues possibilitats han resultat ser candidates a implementar l’enllaç HF entre l’Antàrtida i Espanya. Tot i així, ambdues tècniques representen visions diferents de la implementació del mòdem: mentre que DSSS obté bons resultats a baixa velocitat en entorns amb baixa relació senyal a soroll, OFDM aconsegueix tasses de velocitat més elevades en canals més benignes.Los sistemas de radio de alta frecuencia (HF, en inglés) son usados por agencias gubernamentales y no gubernamentales en todo el mundo siempre que se necesite una alternativa a las comunicaciones por satélite: barcos en alta mar, aviones fuera del rango de cobertura de las redes radio de visión directa, operaciones militares, zonas donde la infraestructura ha sido destruida por algún desastre. Ésta ofrece una alternativa, o representa un sistema de backup, a las comunicaciones vía satélite, evitando los costes, la vulnerabilidad y los problemas de soberanía de las comunicaciones por satélite. En esta tesis se ha estudiado el enlace HF entre la base antártica española Juan Carlos I en la isla Livingston, en las Shetland del sur y España. El objetivo de este trabajo es el estudio de las limitaciones de la propagación ionosférica (como la relación señal a ruido e interferencia, la dispersión multicamino y la dispersión por efecto Doppler) y el diseño de la capa física de un enlace HF de baja velocidad, baja potencia y largo alcance. Se han estudiado un par de propuestas para este enlace, como son el espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS, en inglés) y la multiplexación por división en frecuencia ortogonal (OFDM, en inglés). El reto ha sido definir las características que mejor se adecuan a este enlace para poder aprovechar la diversidad temporal y frecuencial que ofrece el canal HF. Desde el año 2003 diversas campañas de sondeo han permitido estudiar el canal HF pero no es hasta la campaña 2009/2010 que se consigue una fotografía de la actividad ionosférica tanto nocturna como diurna. En los artículos que se presentan en esta tesis hemos extendido los estudios previos a todo el rango de frecuencias HF y hemos mostrado las diferencias entre el día y la noche. Hemos usado estos resultados de caracterización del canal para diseñar y comparar símbolos DSSS y símbolos OFDM. Ambas posibilidades han resultado ser posibles candidatas para implementar un enlace HF de baja velocidad entre la Antártida y España. Sin embargo ambas técnicas representan dos aproximaciones distintas a la implementación del módem. Mientras que DSSS consigue un buen funcionamiento a baja velocidad en escenarios con baja relación señal a ruido, OFDM consigue tasas de transmisión más altas en escenarios más benignos.High Frequency (HF) radio is used by governmental and non nongovernmental agencies worldwide whenever an alternative to satellites for sky wave communication is needed: ships at sea, aircraft out of range of line-of-sight radio networks, military operations, disaster areas with communication infrastructure destroyed or distant regions lacking other communications. It offers an alternative to satellites, or a backup, for long-haul communications, thus avoiding the costs, vulnerabilities and sovereignty concerns of satellite communications. In this thesis the HF link between the Antarctic Spanish Station Juan Carlos I in Livingston Island, South Shetlands and Spain is studied. The aim of this study is to address the impairments that affect HF propagation (i.e., signal-to-noise plus interference ratio, multipath and Doppler shift and spread) and to design the physical layer of a low rate, low power and long-haul HF link. Some proposals regarding this last issue are addressed, i.e., direct sequence spread spectrum (DSSS) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The challenge is to define the symbol characteristics that best fit the link to benefit from time and frequency diversity that offers the HF channel. Since 2003 several transmission campaigns have allowed to study the HF channel but it is not until the 2009/2010 campaign that we have achieved a whole picture of both diurnal and nocturnal ionospheric activity. In the papers presented in this thesis we have extended the previous research to the whole range of HF frequencies and we have shown the differences on performance between day and night. We have used the results from channel characterization to design and compare the performance of DSSS and OFDM symbols. Both techniques have turned out to be possible candidates to implement a low rate HF link between Antarctica and Spain. However, both techniques stand for different approaches of the modem: DSSS achieves good performance at low data rate in low SNR scenarios, whereas OFDM achieves higher data rate in benign channel

Algoritmos en transmisión y recepción para OFDM en entornos multi-usuario

Desde su incursión en la vida de los ciudadanos de forma cotidiana, las comunicaciones móviles han ido adquiriendo cada vez más protagonismo. Lo que hace unos años era un elemento de lujo o causa de envidias, hoy es algo tan habitual como coger el autobús. Este auge en las comunicaciones móviles ha llevado consigo un aumento del número de usuarios de estos servicios, así como una mayor exigencia por parte de éstos en cuanto a velocidad de transmisión, seguridad, servicios, calidad ... Por este motivo, se han ido introduciendo nuevas redes, así como mejoras en las ya existentes. Actualmente estamos asistiendo al inicio de la implantación de las redes denominadas de tercera generación (3G). No obstante, estas redes 3G fueron de nidas a mediados de los años 90. En la actualidad nos encontramos en la de nición de lo que será la cuarta generación móvil (4G) a la que probablemente preceda una intermedia, tal vez Super 3G. Muchas son las tecnologías candidatas para esta Super 3G o para la 4G, pero es OFDM (Multiplexación por División en Frecuencias Ortogonales - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) una de las más prometedoras para terminar siendo la tecnología elegida, debido principalmente a la robustez que ofrece frente al multi-trayecto, la flexibilidad que proporciona por el hecho de dividir el ancho de banda en sub-portadoras que pueden ser moduladas independientemente para adaptarse a las condiciones específicas de los canales móviles y al aprovechamiento de la diversidad multi-usuario cuando se combina en OFDMA (Acceso múltiple por división en frecuencias ortogonales - Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Sin embargo, para que estos sistemas OFDMA sean una realidad en redes futuras como la Super 3G o la 4G, es preciso reducir la complejidad que ellos conllevan, en aspectos como la sincronización multi-usuario o la implementación de la modulación adaptativa. Esta Tesis está enfocada a reducir la complejidad de implementación para que la tecnología OFDMA pueda ser un hecho en las futuras redes inalámbricas. La sincronización en sistemas OFDMA, principalmente en escenarios ad-hoc plantea un reto importante a la hora de implementarla en este tipo de redes. Dado que existe una literatura extensa dedicada a resolver el problema de la sincronización en entornos OFDM mono-usuario, en esta Tesis se propone un procedimiento para reducir el problema de la sincronización multiusuario al caso mono-usuario, lo que permite la re-utilización de todas las técnicas propuestas en la literatura. Además de las buenas prestaciones incluso en situaciones de saturación de la red, permite un ahorro de la energía necesaria para la realización de las tareas de sincronización. Asimismo, a la vez que se resuelve la sincronización multi-usuario, también en esta Tesis se aporta un algoritmo para realizar el seguimiento de la desviación de frecuencia en sistemas tanto OFDM como OFDMA, de una forma sencilla y eficiente. Este algoritmo utiliza las sub-portadoras piloto de los símbolos, y ofrece unas prestaciones razonables, incluso cuando el número de estas sub-portadoras piloto es reducido. La modulación adaptativa u otras técnicas avanzadas de comunicaciones como MIMO (Multiple Input Multiple Output) o el conformado de haz (beamforming), que se hacen más atractivas cuando se combinan con OFDM u OFDMA, requieren de cierta realimentación hacia el transmisor por parte del receptor, además de un conocimiento del canal bastante preciso. En esta Tesis se aportan algoritmos para la compresión de esta información (que puede ser muy elevada dependiendo de la granularidad de la adaptación y la variabilidad del canal), lo que permite un mejor aprovechamiento de los recursos radio, y simpli ca la implementación de este tipo de sistemas. Se consiguen reducciones superiores a cuatro veces la tasa original, lo que implica grandes ventajas en todos los sentidos. Además, se realiza un estudio teórico sobre cómo afectan los errores en la estimación de canal en la capacidad del sistema, obteniéndose dos cotas numéricas para ésta. Gracias a estas cotas se puede concluir que las técnicas actuales de estimación de canal son su cientemente buenas como para que las pérdidas producidas por los errores en esta estimación no sean muy significativas; No obstante, estas pérdidas aumentan a medida que se incrementa la relación señal a ruido, y, por tanto, es conveniente seguir mejorando la estimación de canal si se pretende que estos sistemas trabajen a altas relaciones señal a ruido. Por último, destacar que las simulaciones llevadas a cabo para examinar las prestaciones de los algoritmos desarrollados han proporcionado datos prácticos que ayudarán al diseño e implementación de futuras redes móviles 4G.Nowadays mobile communications are common in our society. In less than two decades they have changed the way people understand personal communications. This interest is still growing and makes users (every day larger in number) ask for more and more services, speed, security and quality, at least comparable to the wired technologies. For this reason, new networks have been introduced in the scene, as well as improvements in the already existing ones. At the moment we are witnessing the beginning of the deployment of the so-called third generation networks (3G). However, these 3G networks were defined in the middle of years 90. At the present time we are in the definition of what will be the fourth mobile generation, which is called the 4G and probably an intermediate stage as Super 3G could be defined first. Many different technologies are in consideration, but OFDM (Orthogonal Frequency Multiplexing Division) is one of most promising candidates to end up becoming the technology to be used, due mainly to the robustness that it others to the multi-path channel, the flexibility that it provides by the fact that it divides the bandwidth into sub-carriers which can be modulated independently to adapt the signal to the specific channel conditions and to the advantage of the multi-user diversity when it is used to multiplex several users in the form of OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Nevertheless, in order for these OFDMA systems to be a reality in future networks as Super 3G or 4G, the reduction in complexity has to be considered, in aspects such as the multi-user synchronization or the implementation of the Adaptive Modulation. This doctoral Thesis is focused on reducing the implementation complexity in both multi-user synchronization and Adaptive Modulation so that OFDMA technology can be a fact in the near future radio networks. The synchronization in OFDMA systems, specially in ad-hoc scenarios, raises an important challenge at the time of implementing this technology. Since an extensive literature is devoted to solve the problem of the synchronization in single-user OFDM systems, in this Thesis we have designed and proposed a procedure to reduce the multi-user synchronization problem to the single-user case, and therefore it allows the reuse of all the already proposed techniques in the literature. The procedure exhibits a good performance even in network saturation situations, and in addition it does not incur in a high power consumption when performing the synchronization tasks. Besides, solving the multi-user synchronization problem, the Thesis also proposes an algorithm for frequency offset tracking in an efficient and simple way, for both OFDM and OFDMA systems. This algorithm uses the pilot sub-carriers scattered in each OFDM symbol, and o ers reasonable performance, even when the number of these pilot sub-carriers is small. Adaptive Modulation and other advanced techniques as MIMO (Multiple Input Multiple Output) or beamforming become more attractive when they are combined with OFDM or OFDMA. However they require certain feedback information from receiver to the transmitter, and in addition, a quite precise knowledge about channel conditions. In this Thesis several algorithms for compressing the feedback information have been developed. This feedback information can be very highly demanding (depending on the granularity of the adaptation and the variability of the channel), and therefore this compression allows a better use of the resources, and simplifies the implementation of this kind of systems. Reductions of more than four times the original flow are obtained, which implies great advantages. In addition, a theoretical study is made on how errors in channel estimation affect the channel capacity, and several upper-bounds (one of them very tight) for this effect are obtained. One of the conclusions is that the actual state of the art in channel estimation techniques is good enough to be used without too much loss; However, the loss increases as the signal to noise ratio increases, and therefore, it is suggested to continue improving channel estimation algorithms for improving performance in high signal to noise ratio scenarios. Finally, thanks to simulations and designs carried out in order to examine the performance of the developed algorithms, some practical data are provided that will help in the future design of new mobile networks as 4G

Estudio de técnicas de modulación y codificación en un contexto multiusuario para comunicaciones ópticas no guiadas mediante luz visible.

En esta Tesis, la aplicación de esquemas de acceso múltiple por división de códigos ópticos (OCDMA) se plantea como una propuesta adecuada para aplicaciones VLC donde se necesite habilitar comunicaciones simultáneas de un número elevado de usuarios. En ese sentido, se opta por una solución basada en el uso de códigos ópticos aleatorios (ROC), de fácil generación y satisfactorio rendimiento. Su viabilidad práctica, especialmente la relativa a la problemática de llevar a cabo la sincronización y comunicación entre un emisor y su receptor asociado cuando ésta se produce ante un alto nivel de interferencia debido a las transmisiones de los otros usuarios, se evalúa mediante el desarrollo de prototipos experimentales suficientemente realistas, que permiten constatar empíricamente el potencial de la técnica OCDMA para este tipo de aplicaciones, tal como habían predicho estudios teóricos previos. Sin embargo, aunque en este trabajo se proponen adicionalmente otros esquemas alternativos que intentan mejorar las tasas de datos alcanzadas, la principal limitación observada para la técnica OCDMA es su baja eficiencia espectral, por lo que sólo resulta adecuada para aplicaciones donde las velocidades de transferencia de datos demandados sean reducidas. Con la idea de lograr mayores tasas de datos, se proyecta la implementación de un sistema OFDM (Orthogonal Frequency-Divison Multiplexing) reconfigurable para comunicaciones VLC mediante la utilización de dispositivos lógicos programables, a fin de evaluar experimentalmente la potencialidad de dicha técnica de modulación desde un punto de vista práctico realista. Aparte de dar solución a los distintos aspectos técnicos que conlleva la implementación, se diseña un nuevo mecanismo de sincronismo temporal a partir de las secuencias de entrenamiento enviadas, previamente a la transmisión de las tramas de datos, para llevar a cabo la ecualización de canal requerida para la demodulación de señales OFDM. Esta propuesta constituye un enfoque alternativo a lo comúnmente planteado en la literatura, donde ahora la ecualización de canal y la sincronización entre emisor y receptor se realizan de manera conjunta, sin tener que recurrir al uso de tramas específicas para establecer esta última. La robustez de este nuevo método de sincronismo y su eficacia para habilitar una posterior y adecuada demodulación de los datos es validada a través de las sucesivas pruebas experimentales realizadas con el prototipo desarrollado, que permite la transferencia de datos en tiempo real a través de un enlace óptico VLC mediante el uso de la técnica OFDM. Finalmente, ante la limitada tasa de datos alcanzada por el prototipo VLC-OFDM en tiempo real, se plantea la introducción de esquemas adaptativos para ajustar los modos de modulación a aplicar a las distintas subportadoras del total del ancho de banda de transmisión a la calidad de cada subcanal. Nuevamente, a fin de obtener resultados extrapolables a aplicaciones reales, se lleva a cabo el desarrollo de un prototipo, aunque en este caso no en tiempo real, donde alcances superiores a un metro son evaluados experimentalmente. Las velocidades de transferencia logradas con este sistema OFDM adaptativo, por encima de 100 Mbit/s, permiten concluir que tasas de datos de varios centenares de Mbit/s son factibles en entornos VLC realistas mediante la aplicación conjunta de este tipo de técnicas y el uso de estructuras con múltiples emisores y receptores con diversidad angular (esquemas MIMO)