A Direct Construction of Prime-Power-Length Zero-Correlation Zone Sequences for QS-CDMA System

In recent years, zero-correlation zone (ZCZ) sequences are being studied due to their significant applications in quasi-synchronous code division multiple access (QS-CDMA) systems and other wireless communication domains. However, the lengths of most existing ZCZ sequences are limited, and their parameters are not flexible, which are leading to practical limitations in their use in QS-CDMA and other communication systems. The current study proposes a direct construction of ZCZ sequences of prime-power length with flexible parameters by using multivariable functions. In the proposed construction, we first present a multivariable function to generate a vector with specific properties; this is further used to generate another class of multivariable functions to generate the desired $(p^t,(p-1)p^n,p^{n+t+1})$-ZCZ sequence set, where $p$ is a prime number, $t,n$ are positive integers, and $t\leq n$. The constructed ZCZ sequence set is optimal for the binary case and asymptotically optimal for the non-binary case by the \emph{Tang-Fan-Matsufuji} bound. Moreover, a relation between the second-order cosets of first-order generalized Reed-Muller code and the proposed ZCZ sequences is also established. The proposed construction of ZCZ sequences is compared with existing constructions, and it is observed that the parameters of this ZCZ sequence set are a generalization of that of in some existing works. Finally, the performance of the proposed ZCZ-based QS-CDMA system is compared with the Walsh-Hadamard and Gold code-based QS-CDMA system

New Constructions of Zero-Correlation Zone Sequences

In this paper, we propose three classes of systematic approaches for constructing zero correlation zone (ZCZ) sequence families. In most cases, these approaches are capable of generating sequence families that achieve the upper bounds on the family size ($K$) and the ZCZ width ($T$) for a given sequence period ($N$). Our approaches can produce various binary and polyphase ZCZ families with desired parameters $(N,K,T)$ and alphabet size. They also provide additional tradeoffs amongst the above four system parameters and are less constrained by the alphabet size. Furthermore, the constructed families have nested-like property that can be either decomposed or combined to constitute smaller or larger ZCZ sequence sets. We make detailed comparisons with related works and present some extended properties. For each approach, we provide examples to numerically illustrate the proposed construction procedure.Comment: 37 pages, submitted to IEEE Transactions on Information Theor

Near-Optimal Zero Correlation Zone Sequence Sets from Paraunitary Matrices

Zero correlation zone (ZCZ) sequence sets play an important role in interference-free quasi-synchronous code-division multiple access communications. In this paper, for the first time, we investigate the periodic correlation properties of polyphase sequences obtained from paraunitary (PU) matrices, which shows the inherent relationship between PU matrix and ZCZ sequence sets. Our investigation suggests that any arbitrary PU matrix can produce ZCZ sequence sets by controlling its expanded form. The key idea is to impose certain restrictions on the expanded forms of the PU matrices to enable precise computation of the periodic correlation functions of the constructed sequences. We show that our proposed construction leads to near-optimal ZCZ sequence sets with regard to the ZCZ set size upper bound

Hierarchy Based Construction of Signature Matrices for Simplified Decoding in Overloaded CDMA

The overloaded CDMA system, as the solution to the capacity limit of its conventional counterpart, has drawn frequent interest of the researchers in the past. While there exists numerous proposals on the construction of uniquely decodable (UD) signature matrices for overloaded CDMA system with very high value of overloading factor, most of them lag the efficient multiuser detector (MUD) for noisy transmission. Here, by efficient, we imply the MUD to have acceptable BER performance and simplified in design. Whereas the lack of efficiency of several MUDs is primarily due to the impact of excess level of multiple access interference (MAI) because of the rise in the number of active users, its random nature prohibits its accurate estimation and elimination. Under such constraints, if the signature matrices can be intelligently constructed so as to generate a defined and controlled pattern (hierarchy) of MAI so that the designed MUD will exploit the knowledge of this hierarchy to remove the MAI completely and attain better error performance at much lower cost of complexity. We consider this as the motivation for research in this thesis. First, we propose the ternary signature matrix with orthogonal subsets (TSMOS), where the matrix with index-k comprises of k orthogonal subsets with each having different number signatures, and all subsets besides the first (largest) one are of ternary type. The correlation (interference) pattern among the signatures is mapped into a twin tree hierarchy, which is further leveraged to design a simplified MUD using the linear decoding blocks like matched filter (MF) to provide errorfree and better error performance for noiseless and noisy transmission respectively. Next, we generalize the construction of TSMOS to multiple structures i.e.; Type I, Type II, Type III and mixed versions and reveal the complementary feature of 50% signatures of the largest (binary) subset that further results in their optimality. Further, we propose the non-ternary version of SMOS (called as 2k-SMOS), where the binary alphabets in each of the k subsets are different from each other. With vii no complementary feature, 50% signatures of its largest subset are also found to be optimal. The superiority of 2k-SMOS over TSMOS is also verified for an overloading capacity of 150%. Next, we propose and discuss the hybrid SMOS (HSMOS), where the subsets from TSMOS and 2k-SMOS are used as the constituents to produce multiple SMOS structures, of which TSMOS and 2k-SMOS are treated as the special cases. For better understanding of the features of the whole family of SMOS (with an overloading capacity of 200%), the gradual change in the twin tree hierarchy and BER performance of the left and right child of the individual subsets are studied. Similar to SMOS, we also introduce the hierarchy based low density signature (HLDS) matrix, where any UD matrix satisfying particular criterion can be considered as the basis set. For hadamard matrix as the basis set, we design a MUD that uses the MF to implement the decision vector search (DVS) algorithm, which is meant to exploit the advantageous hierarchy of constellation of the transmitted vector to offer errorfree decoding. For noisy channel, the marginal degradation in the level of BER of the MUD (DVS) as compared to the optimum joint maximum likelihood decoder (MLD) is worthy to be overlooked when compared with the significant gain achieved in terms of complexity. For the smallest dimension of the hadamard matrix as the basis, the MUD is further simplified to offer recovery using a comparison driven decision making algorithm, also known as comparison aided decoding (CAD). Despite simplicity, the error performance of the MUD (CAD) is observed to be very close to that of MUD (DVS)

Efficient complementary sequences-based architectures and their application to ranging measurements

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en 2015En las últimas décadas, los sistemas de medición de distancias se han beneficiado de los avances en el área de las comunicaciones inalámbricas. En los sistemas basados en CDMA (Code-Division Multiple-Access), las propiedades de correlación de las secuencias empleadas juegan un papel fundamental en el desarrollo de dispositivos de medición de altas prestaciones. Debido a las sumas ideales de correlaciones aperiódicas, los conjuntos de secuencias complementarias, CSS (Complementary Sets of Sequences), son ampliamente utilizados en sistemas CDMA. En ellos, es deseable el uso de arquitecturas eficientes que permitan generar y correlar CSS del mayor número de secuencias y longitudes posibles. Por el término eficiente se hace referencia a aquellas arquitecturas que requieren menos operaciones por muestra de entrada que con una arquitectura directa. Esta tesis contribuye al desarrollo de arquitecturas eficientes de generación/correlación de CSS y derivadas, como son las secuencias LS (Loosely Synchronized) y GPC (Generalized Pairwise Complementary), que permitan aumentar el número de longitudes y/o de secuencias disponibles. Las contribuciones de la tesis pueden dividirse en dos bloques: En primer lugar, las arquitecturas eficientes de generación/correlación para CSS binarios, derivadas en trabajos previos, son generalizadas al alfabeto multinivel (secuencias con valores reales) mediante el uso de matrices de Hadamard multinivel. Este planteamiento tiene dos ventajas: por un lado el aumento del número de longitudes que pueden generarse/correlarse y la eliminación de las limitaciones de las arquitecturas previas en el número de secuencias en el conjunto. Por otro lado, bajo ciertas condiciones, los parámetros de las arquitecturas generalizadas pueden ajustarse para generar/correlar eficientemente CSS binarios de mayor número de longitudes que con las arquitecturas eficientes previas. En segundo lugar, las arquitecturas propuestas son usadas para el desarrollo de nuevos algoritmos de generación/correlación de secuencias derivadas de CSS que reducen el número de operaciones por muestra de entrada. Finalmente, se presenta la aplicación de las secuencias estudiadas en un nuevo sistema de posicionamiento local basado en Ultra-Wideband y en un sistema de posicionamiento local basado en ultrasonidos

Space programs summary 37-64. Volume 3 - Supporting research and advanced development, 1 June - 31 July 1970

Interplanetary flight missions and systems development for thermoelectric outer planet spacecraf

Optimization Strategies for Spatio-temporal Groundwater Dynamics Monitoring

Räumlich kontinuierliche Daten sind in der Hydrogeologie für die wissenschaftliche Forschung, die Risikobewertung und wasserwirtschaftliche Entscheidungsprozesse von wesentlicher Bedeutung. Die meisten dieser Informationen werden allerdings nur punktuell durch Messungen an Grundwassermessstellen erhoben und anschließend regionalisiert. Die Vorhersagegenauigkeit dieser räumlich interpolierten Daten, die in der Regel die Grundlage für weitere Berechnungen und Entscheidungen bilden, ist stark abhängig von der Konzipierung des Grundwassermessnetzes, d.h. von der räumlichen Verteilung und Dichte der Grundwassermessstellen, der Beprobungshäufigkeit, dem Interpolationsverfahren sowie dem Wechselspiel zwischen diesen Faktoren. Daraus ergibt sich ein erhebliches Optimierungspotenzial hinsichtlich des Grundwassermessnetzes und der Regionalisierungstechnik. Geeignetes Grundwassermessnetze sind daher wichtige Instrumente für die nachhaltige Bewirtschaftung und für den Schutz der Grundwasserressourcen. Sie bieten Zugangspunkte für die Überwachung von Grundwasserständen und -proben und ermöglichen so einen Einblick in die Grundwasserverhältnisse. Die Kombination aus hohen Erschließungskosten und einer verhältnismäßig geringen räumlichen Repräsentativität der Brunnen aufgrund der hydrogeologischen Heterogenität machen die Konzeption eines geeigneten Überwachungsnetzes zu einer großen Herausforderung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Techniken zum verbesserten Verständnis der Grundwasserdynamik durch (i) räumliche und (ii) räumliche-zeitliche Optimierung von Grundwasserstands Messnetzen und (iii) verbesserter räumlichere Vorhersage der an diesen Überwachungsbrunnen gewonnenen Daten unter Verwendung von Interpolationstechniken. Zu diesem Zweck wurde im ersten Teil dieser Arbeit eine umfassende Untersuchung der meistgenutzten deterministischen und geostatistischen, uni- und multivariaten Interpolationstechniken für die Erstellung von Grundwassergleichenplänen in einem Untersuchungsgebiet durchgeführt, das durch eine komplexe Interaktion zwischen Karst, einem alluvialen Grundwasserleiter und gering durchlässigen Schichten der alpinen Molasse gekennzeichnet ist. Die untersuchten Methoden wurden durch globale Kreuzvalidierung und öko-hydrogeologische Informationen an Karstquellen, Feuchtgebieten, Oberflächengewässern und Profilschnitten bewertet. Der mögliche Effekt der Methodenwahl auf die weitere Berechnung wurde durch Abschätzung der Austauschprozesse zwischen Karst- und Alluvialgrundwasserleiter auf Basis der geschätzten Potentialunterschiede durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verfahrenswahl, insbesondere bei unzureichendem Überwachungskonzept, drastische Auswirkungen auf die nachfolgenden Berechnungen haben kann. Die Studie hat ergeben, dass geostatistische oder Kriging Interpolationsmethoden den deterministischen Interpolationsmethoden überlegen sind. Bei dürftiger Grundwasserdatenlage kann das Co-Kriging mit räumlich kreuzkorrelierten Sekundärvariablen (z. B. Höhenlage, Flusspegel), die häufiger erfasst werden, wertvolle Informationen über die Primärvariable bereitstellen und so die Varianz des Schätzfehlers verringern. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden räumliche Monitoringkonzepte mit unterschiedlichen Messdichten an numerisch modellierter Grundwasseroberflächen mit verschiedenen Skalen und Dynamiken untersucht. Ziel war es, Einblicke in geeignete Monitoringansatze für eine verlässliche räumliche Abschätzung des Grundwasserspiegels zu gewinnen und eine Überwachungsdichte abzuleiten, bei der ein angemessenes Information/Kosten-Verhältnis erreicht wird. Die Interpolationsergebnisse wurden mit globaler Kreuzvalidierung und dem tatsächlichen räumlichen Fehler evaluiert, der anhand der numerischen Modellflächen als A-priori-Referenz errechnet wurde. Überwachungsnetze mit einer regelmäßigen Gitteranordnung boten zwar genaueste räumliche Vorhersagen für das betrachtete Dichtespektrum, sind jedoch aufgrund ihrer Nachteile, wie der mangelnden Erweiterungsfähigkeit, tendenziell ungeeignet. Eine vergleichbar gute Leistung wurde erzielt, wenn der maximale Vorhersage-Standardfehler als Auswahlkriterium für zusätzliche Brunnen für bestehende Messnetze verwendet wurde. In dieser Studie wurde außerdem eine neuartige Optimierungsstrategie für Überwachungsnetze angewandt, die auf mathematischen Quasi-Zufallsfolgen basiert. Der Ansatz liefert ebenfalls überzeugende Ergebnisse und bietet mehrere Vorteile. Er bedarf keinerlei Vorkenntnisse über den Grundwasserleiter durch vorhandene Brunnen und es werden unabhängig von den Ausbaustufen reproduzierbare räumliche Anordnungen erzielt. Im dritten Teil wurde ein datengesteuerter Sparse-Sensing-Algorithmus-Ansatz zur Auswahl von spärlichen Sensorpositionen unter Nutzung von Techniken zur Dimensionsreduktion untersucht und für die zeitliche und räumliche Optimierung eines bestehenden Grundwasserstandsmessnetzes im Oberrheingraben adaptiert. Die Optimierung erfolgt mit einem greedy search (QR)-Algorithmus, der die Überwachungsbrunnen nach ihrem Informationsgehalt über Aquifer-Dynamik selektiert und einordnet. Als Eingangsdaten wurden langjährige Ganglinien-Aufzeichnungen verwendet, um repräsentative Messstellen oder Messstellen mit redundantem oder niedrigem Informationsgehalt zu bestimmen. Des Weiteren wurde eine Optimierung auf der Grundlage regionalisierter, wöchentlicher Grundwassergleichenkarten durchgeführt, um mögliche geeignete Standorte für zusätzliche Messstellen zu identifizieren. Die Suche wurde durch eine räumliche Kostenfunktion gelenkt, bei der weniger geeignete Standorte abgewertet wurden. Der untersuchte Ansatz hat sich als potenziell wertvolles Instrument für die Optimierung der Brunnenanzahl und deren Standorte, für die Reduzierung und den Ausbau des Netzes aber auch für eine kombinierte Nutzung beider Möglichkeiten erwiesen

Mobile and Wireless Communications

Mobile and Wireless Communications have been one of the major revolutions of the late twentieth century. We are witnessing a very fast growth in these technologies where mobile and wireless communications have become so ubiquitous in our society and indispensable for our daily lives. The relentless demand for higher data rates with better quality of services to comply with state-of-the art applications has revolutionized the wireless communication field and led to the emergence of new technologies such as Bluetooth, WiFi, Wimax, Ultra wideband, OFDMA. Moreover, the market tendency confirms that this revolution is not ready to stop in the foreseen future. Mobile and wireless communications applications cover diverse areas including entertainment, industrialist, biomedical, medicine, safety and security, and others, which definitely are improving our daily life. Wireless communication network is a multidisciplinary field addressing different aspects raging from theoretical analysis, system architecture design, and hardware and software implementations. While different new applications are requiring higher data rates and better quality of service and prolonging the mobile battery life, new development and advanced research studies and systems and circuits designs are necessary to keep pace with the market requirements. This book covers the most advanced research and development topics in mobile and wireless communication networks. It is divided into two parts with a total of thirty-four stand-alone chapters covering various areas of wireless communications of special topics including: physical layer and network layer, access methods and scheduling, techniques and technologies, antenna and amplifier design, integrated circuit design, applications and systems. These chapters present advanced novel and cutting-edge results and development related to wireless communication offering the readers the opportunity to enrich their knowledge in specific topics as well as to explore the whole field of rapidly emerging mobile and wireless networks. We hope that this book will be useful for students, researchers and practitioners in their research studies

Signal Processing and Learning for Next Generation Multiple Access in 6G

Wireless communication systems to date primarily rely on the orthogonality of resources to facilitate the design and implementation, from user access to data transmission. Emerging applications and scenarios in the sixth generation (6G) wireless systems will require massive connectivity and transmission of a deluge of data, which calls for more flexibility in the design concept that goes beyond orthogonality. Furthermore, recent advances in signal processing and learning have attracted considerable attention, as they provide promising approaches to various complex and previously intractable problems of signal processing in many fields. This article provides an overview of research efforts to date in the field of signal processing and learning for next-generation multiple access, with an emphasis on massive random access and non-orthogonal multiple access. The promising interplay with new technologies and the challenges in learning-based NGMA are discussed

Proceedings of Monterey Workshop 2001 Engineering Automation for Sofware Intensive System Integration

The 2001 Monterey Workshop on Engineering Automation for Software Intensive System Integration was sponsored by the Office of Naval Research, Air Force Office of Scientific Research, Army Research Office and the Defense Advance Research Projects Agency. It is our pleasure to thank the workshop advisory and sponsors for their vision of a principled engineering solution for software and for their many-year tireless effort in supporting a series of workshops to bring everyone together.This workshop is the 8 in a series of International workshops. The workshop was held in Monterey Beach Hotel, Monterey, California during June 18-22, 2001. The general theme of the workshop has been to present and discuss research works that aims at increasing the practical impact of formal methods for software and systems engineering. The particular focus of this workshop was "Engineering Automation for Software Intensive System Integration". Previous workshops have been focused on issues including, "Real-time & Concurrent Systems", "Software Merging and Slicing", "Software Evolution", "Software Architecture", "Requirements Targeting Software" and "Modeling Software System Structures in a fastly moving scenario".Office of Naval ResearchAir Force Office of Scientific Research Army Research OfficeDefense Advanced Research Projects AgencyApproved for public release, distribution unlimite