Ultra-Wideband Secure Communications and Direct RF Sampling Transceivers

Larger wireless device bandwidth results in new capabilities in terms of higher data rates and security. The 5G evolution is focus on exploiting larger bandwidths for higher though-puts. Interference and co-existence issues can also be addressed by the larger bandwidth in the 5G and 6G evolution. This dissertation introduces of a novel Ultra-wideband (UWB) Code Division Multiple Access (CDMA) technique to exploit the largest bandwidth available in the upcoming wireless connectivity scenarios. The dissertation addresses interference immunity, secure communication at the physical layer and longer distance communication due to increased receiver sensitivity. The dissertation presents the design, workflow, simulations, hardware prototypes and experimental measurements to demonstrate the benefits of wideband Code-Division-Multiple-Access. Specifically, a description of each of the hardware and software stages is presented along with simulations of different scenarios using a test-bench and open-field measurements. The measurements provided experimental validation carried out to demonstrate the interference mitigation capabilities. In addition, Direct RF sampling techniques are employed to handle the larger bandwidth and avoid analog components. Additionally, a transmit and receive chain is designed and implemented at 28 GHz to provide a proof-of-concept for future 5G applications. The proposed wideband transceiver is also used to demonstrate higher accuracy direction finding, as much as 10 times improvement

Clearing the Rf Smog: Making 802.11 Robust to Cross-Technology Interference

Recent studies show that high-power cross-technology interference is becoming a major problem in today’s 802.11 networks. Devices like baby monitors and cordless phones can cause a wireless LAN to lose connectivity. The existing approach for dealing with such high-power interferers makes the 802.11 network switch to a different channel; yet the ISM band is becoming increasingly crowded with diverse technologies, and hence many 802.11 access points may not find an interference-free channel. This paper presents TIMO, a MIMO design that enables 802.11n to communicate in the presence of high-power cross-technology interference. Unlike existing MIMO designs, however, which require all concurrent transmissions to belong to the same technology, TIMO can exploit MIMO capabilities to decode in the presence of a signal from a different technology, hence enabling diverse technologies to share the same frequency band. We implement a prototype of TIMO in GNURadio-USRP2 and show that it enables 802.11n to communicate in the presence of interference from baby monitors, cordless phones, and microwave ovens, transforming scenarios with a complete loss of connectivity to operational networks.National Science Foundation (U.S.) (NSF grant CNS-0831660)National Science Foundation (U.S.) (NSF grant CNS- 0721857)United States. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA ITMANET

Infrared ranging in multipath environments for indoor localization of mobile targets

Esta tesis aborda el problema de la medida de diferencias de distancia mediante señales ópticas afectadas por multicamino, aplicada a la localización de agentes móviles en espacios interiores. Los avances en robótica, entornos inteligentes y vehículos autónomos han creado un campo de aplicación específico para la localización en interiores, cuyos requerimientos de precisión (en el rango de los cm) son muy superiores a los demandados por las aplicaciones de localización orientadas a personas, en cuyo contexto se han desarrollado la mayor parte de las alternativas tecnológicas. La investigación con métodos de geometría proyectiva basados en cámaras y de multilateración basados en medida de distancia con señales de radiofrecuencia de banda ancha, de ultrasonido y ópticas han demostrado un rendimiento potencial adecuado para cubrir estos requerimientos. Sin embargo, todas estas alternativas, aún en fase de investigación, presentan dificultades que limitan su aplicación práctica. En el caso de los sistemas ópticos, escasamente estudiados en este contexto, los trabajos previos se han basado en medidas de diferencia de fase de llegada de señales infrarrojas moduladas sinusoidalmente en intensidad. Una infraestructura centralizada computa medidas diferenciales, entre receptores fijos, de la señal emitida desde el móvil a posicionar, y calcula la posición del móvil mediante trilateración hiperbólica a partir de éstas. Estas investigaciones demostraron que se pueden alcanzar precisiones de pocos centímetros; sin embargo, las interferencias por multicamino debidas a la reflexión de la señal óptica en superficies del entorno pueden degradar esta precisión hasta las decenas de centímetros dependiendo de las características del espacio. Así pues, el efecto del multicamino es actualmente la principal fuente de error en esta tecnología, y por tanto, la principal barrera a superar para su implementación en situaciones reales. En esta tesis se propone y analiza un sistema de medida con señales ópticas que permite obtener estimaciones de diferencias de distancia precisas reduciendo el efecto crítico del multicamino. El sistema propuesto introduce una modulación con secuencias de ruido pseudoaleatorio sobre la modulación sinusoidal típicamente usada para medida de fase por onda continua, y aprovecha las propiedades de ensanchamiento en frecuencia de estas secuencias para reducir el efecto del multicamino. El sistema, que realiza una doble estimación de tiempo y fase de llegada, está compuesto por una etapa de sincronización que posibilita la demodulación parcialmente coherente de la señal recibida, seguida de un medidor diferencial de fase sobre las componentes desensanchadas tras la demodulación. Las condiciones de multicamino óptico típicas en espacios interiores, con una componente de camino directo claramente dominante, permiten que el proceso de demodulación recupere más potencia del camino directo que del resto de contribuciones, reduciendo el efecto del multicamino en la estimación final. Los resultados obtenidos demuestran que la aplicación del método propuesto permitiría realizar posicionamiento a partir de señales ópticas con el rendimiento adecuando para aplicaciones de robótica y guiado de vehículos en espacios interiores; además, el progresivo aumento de la potencia y el ancho de banda de los dispositivos optoelectrónicos disponibles permite esperar un incremento considerable de las prestaciones de la propuesta en los próximos años

Ultra Wide Band Multiple Access Performance Using TH-PPM and DS-BPSK Modulations

The increasing demand for portable, high data rate communications has focused much attention on wireless technology. Ultra Wide Band (UWB) waveforms have the ability to deliver megabits of information while maintaining low average power consumption. In accordance with recent FCC ruling, UWB systems are now allowed to operate in the unlicensed spectrum of 3.1 to 10.6 GHz, motivating renewed interest in the forty year old concept of impulse radio. Gaussian monocycles produce UWB waveforms occupying large bandwidths with multiple access (MA) capability enabled by spread spectrum techniques. Time Hopping (TH) and Direct Sequence (DS) modulations are considered here for UWB MA applications. This work extends Gold coding results and characterizes UWB performance using Simulated Annealing (SA) and Random Integer (RI) codes for TH and DS UWB applications. TH-PPM and DS-BPSK performance is evaluated using simulated probability of bit error P(sub b) under MA interference (MAI), multipath interference (MPI), and narrow band interference (NBI) conditions for synchronous and asynchronous networks

Radio frequency interference detection and mitigation techniques for navigation and Earth observation

Radio-Frequency Interference (RFI) signals are undesired signals that degrade or disrupt the performance of a wireless receiver. RFI signals can be troublesome for any receiver, but they are especially threatening for applications that use very low power signals. This is the case of applications that rely on the Global Navigation Satellite Systems (GNSS), or passive microwave remote sensing applications such as Microwave Radiometry (MWR) and GNSS-Reflectometry (GNSS-R). In order to solve the problem of RFI, RFI-countermeasures are under development. This PhD thesis is devoted to the design, implementation and test of innovative RFI-countermeasures in the fields of MWR and GNSS. In the part devoted to RFI-countermeasures for MWR applications, first, this PhD thesis completes the development of the MERITXELL instrument. The MERITXELL is a multi-frequency total-power radiometer conceived to be an outstanding platform to perform detection, characterization, and localization of RFI signals at the most common MWR imaging bands up to 92 GHz. Moreover, a novel RFI mitigation technique is proposed for MWR: the Multiresolution Fourier Transform (MFT). An assessment of the performance of the MFT has been carried out by comparison with other time-frequency mitigation techniques. According to the results, the MFT technique is a good trade-off solution among all other techniques since it can mitigate efficiently all kinds of RFI signals under evaluation. In the part devoted to RFI-countermeasures for GNSS and GNSS-R applications, first, a system for RFI detection and localization at GNSS bands is proposed. This system is able to detect RFI signals at the L1 band with a sensitivity of -108 dBm at full-band, and of -135 dBm for continuous wave and chirp-like signals when using the averaged spectrum technique. Besides, the Generalized Spectral Separation Coefficient (GSSC) is proposed as a figure of merit to evaluate the Signal-to-Noise Ratio (SNR) degradation in the Delay-Doppler Maps (DDMs) due to the external RFI effect. Furthermore, the FENIX system has been conceived as an innovative system for RFI detection and mitigation and anti-jamming for GNSS and GNSS-R applications. FENIX uses the MFT blanking as a pre-correlation excision tool to perform the mitigation. In addition, FENIX has been designed to be cross-GNSS compatible and RFI-independent. The principles of operation of the MFT blanking algorithm are assessed and compared with other techniques for GNSS signals. Its performance as a mitigation tool is proven using GNSS-R data samples from a real airborne campaign. After that, the main building blocks of the patented architecture of FENIX have been described. The FENIX architecture has been implemented in three real-time prototypes. Moreover, a simulator named FENIX-Sim allows for testing its performance under different jamming scenarios. The real-time performance of FENIX prototype has been tested using different setups. First, a customized VNA has been built in order to measure the transfer function of FENIX in the presence of several representative RFI/jamming signals. The results show how the power transfer function adapts itself to mitigate the RFI/jamming signal. Moreover, several real-time tests with GNSS receivers have been performed using GPS L1 C/A, GPS L2C, and Galileo E1OS. The results show that FENIX provides an extra resilience against RFI and jamming signals up to 30 dB. Furthermore, FENIX is tested using a real GNSS timing setup. Under nominal conditions, when no RFI/jamming signal is present, a small additional jitter on the order of 2-4 ns is introduced in the system. Besides, a maximum bias of 45 ns has been measured under strong jamming conditions (-30 dBm), which is acceptable for current timing systems requiring accuracy levels of 100 ns. Finally, the design of a backup system for GNSS in tracking applications that require high reliability against RFI and jamming attacks is proposed.Les interferències de radiofreqüència (RFI) són senyals no desitjades que degraden o interrompen el funcionament dels receptors sense fils. Les RFI poden suposar un problema per qualsevol receptor, però són especialment amenaçadores per les a aplicacions que fan servir senyals de molt baixa potència. Aquest és el cas de les aplicacions que depenen dels sistemes mundials de navegació per satèl·lit (GNSS) o de les aplicacions de teledetecció passiva de microones, com la radiometria de microones (MWR) i la reflectometria GNSS (GNSS-R). Per combatre aquest problema, sistemes anti-RFI s'estan desenvolupament actualment. Aquesta tesi doctoral està dedicada al disseny, la implementació i el test de sistemes anti-RFI innovadors en els camps de MWR i GNSS. A la part dedicada als sistemes anti-RFI en MWR, aquesta tesi doctoral completa el desenvolupament de l'instrument MERITXELL. El MERITXELL és un radiòmetre multifreqüència concebut com una plataforma excepcional per la detecció, caracterització i localització de RFI a les bandes de MWR més utilitzades per sota dels 92 GHz. A més a més, es proposa una nova tècnica de mitigació de RFI per MWR: la Transformada de Fourier amb Multiresolució (MFT). El funcionament de la MFT s'ha comparat amb el d'altres tècniques de mitigació en els dominis del temps i la freqüència. D'acord amb els resultats obtinguts, la MFT és una bona solució de compromís entre les altres tècniques, ja que pot mitigar de manera eficient tots els tipus de senyals RFI considerats. A la part dedicada als sistemes anti-RFI en GNSS i GNSS-R, primer es proposa un sistema per a la detecció i localització de RFI a les bandes GNSS. Aquest sistema és capaç de detectar senyals RFI a la banda L1 amb una sensibilitat de -108 dBm a tota la banda, i de -135 dBm per a senyals d'ona contínua i chirp fen un mitjana de l'espectre. A més a més, el Coeficient de Separació Espectral Generalitzada (GSSC) es proposa com una mesura per avaluar la degradació de la relació senyal a soroll (SNR) en els Mapes de Delay-Doppler (DDM) a causa del impacte de les RFI. La major contribució d'aquesta tesi doctoral és el sistema FENIX. FENIX és un sistema innovador de detecció i mitigació de RFI i inhibidors de freqüència per aplicacions GNSS i GNSS-R. FENIX utilitza la MFT per eliminar la interferència abans del procés de correlació amb el codi GNSS independentment del tipus de RFI. L'algoritme de mitigació de FENIX s'ha avaluat i comparat amb altres tècniques i els principals components de la seva arquitectura patentada es descriuen. Finalment, un simulador anomenat FENIX-Sim permet avaluar el seu rendiment en diferents escenaris d'interferència. El funcionament en temps real del prototip FENIX ha estat provat utilitzant diferents mètodes. En primer lloc, s'ha creat un analitzador de xarxes per a mesurar la funció de transferència del FENIX en presència de diverses RFI representatives. Els resultats mostren com la funció de transferència s'adapta per mitigar el senyal interferent. A més a més, s'han realitzat diferents proves en temps real amb receptors GNSS compatibles amb els senyals GPS L1 C/A, GPS L2C i Galileo E1OS. Els resultats mostren que FENIX proporciona una resistència addicional contra les RFI i els senyals dels inhibidors de freqüència de fins a 30 dB. A més a més, FENIX s'ha provat amb un sistema comercial de temporització basat en GNSS. En condicions nominals, sense RFI, FENIX introdueix un petit error addicional de tan sols 2-4 ns. Per contra, el biaix màxim mesurat en condicions d'alta interferència (-30 dBm) és de 45 ns, el qual és acceptable per als sistemes de temporització actuals que requereixen nivells de precisió d'uns 100 ns. Finalment, es proposa el disseny d'un sistema robust de seguiment, complementari als GNSS, per a aplicacions que requereixen alta fiabilitat contra RFI.Postprint (published version

An Assessment of Indoor Geolocation Systems

Currently there is a need to design, develop, and deploy autonomous and portable indoor geolocation systems to fulfil the needs of military, civilian, governmental and commercial customers where GPS and GLONASS signals are not available due to the limitations of both GPS and GLONASS signal structure designs. The goal of this dissertation is (1) to introduce geolocation systems; (2) to classify the state of the art geolocation systems; (3) to identify the issues with the state of the art indoor geolocation systems; and (4) to propose and assess four WPI indoor geolocation systems. It is assessed that the current GPS and GLONASS signal structures are inadequate to overcome two main design concerns; namely, (1) the near-far effect and (2) the multipath effect. We propose four WPI indoor geolocation systems as an alternative solution to near-far and multipath effects. The WPI indoor geolocation systems are (1) a DSSS/CDMA indoor geolocation system, (2) a DSSS/CDMA/FDMA indoor geolocation system, (3) a DSSS/OFDM/CDMA/FDMA indoor geolocation system, and (4) an OFDM/FDMA indoor geolocation system. Each system is researched, discussed, and analyzed based on its principle of operation, its transmitter, the indoor channel, and its receiver design and issues associated with obtaining an observable to achieve indoor navigation. Our assessment of these systems concludes the following. First, a DSSS/CDMA indoor geolocation system is inadequate to neither overcome the near-far effect not mitigate cross-channel interference due to the multipath. Second, a DSSS/CDMA/FDMA indoor geolocation system is a potential candidate for indoor positioning, with data rate up to 3.2 KBPS, pseudorange error, less than to 2 m and phase error less than 5 mm. Third, a DSSS/OFDM/CDMA/FDMA indoor geolocation system is a potential candidate to achieve similar or better navigation accuracy than a DSSS/CDMA indoor geolocation system and data rate up to 5 MBPS. Fourth, an OFDM/FDMA indoor geolocation system is another potential candidate with a totally different signal structure than the pervious three WPI indoor geolocation systems, but with similar pseudorange error performance