A Communication Monitor for Wireless Sensor Networks Based on Software Defined Radio

Link quality estimation of reliability-crucial wireless sensor networks (WSNs) is often limited by the observability and testability of single-chip radio transceivers. The estimation is often based on collection of packer-level statistics, including packet reception rate, or vendor-specific registers, such as CC2420's Received Signal Strength Indicator (RSSI) and Link Quality Indicator (LQI). The speed or accuracy of such metrics limits the performance of reliability mechanisms built in wireless sensor networks. To improve link quality estimation in WSNs, we designed a powerful wireless communication monitor based on Software Defined Radio (SDR). We studied the relations between three implemented link quality metrics and packet reception rate under different channel conditions. Based on a comparison of the metrics' relative advantages, we proposed using a combination of them for fast and accurate estimation of a sensor network link

Contribution to Efficient Use of Narrowband Radio Channel

Předkládaná práce se soustředí na problematiku využívání úzkopásmového rádiového kanálu rádiovými modemy, které jsou určené pro průmyslové aplikace pozemní pohyblivé rádiové služby, specifikované v dominantní míře Evropským standardem ETSI EN 300 113. Tato rádiová zařízení se používají v kmitočtových pásmech od 30 MHz do 1 GHz s nejčastěji přidělovanou šířkou pásma 25 kHz a ve většině svých instalací jsou využívána ve fixních nebo mobilních bezdrátových sítích. Mezi typické oblasti použití patří zejména datová telemetrie, aplikace typu SCADA, nebo monitorování transportu strategických surovin. Za hlavní znaky popisovaného systému lze označit komunikační pokrytí značných vzdáleností, dané především vysokou výkonovou účinnosti datového přenosu a využívaní efektivních přístupových technik na rádiový kanál se semiduplexním komunikačním režimem. Striktní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu umožňují těmto zařízením využívat spektrum i v oblastech kmitočtově blízkým jiným komunikačním systémům bez nutnosti vkládání dodatečných ochranných frekvenčních pásem. Úzkopásmové rádiové komunikační systémy, v současnosti používají převážně exponenciální digitální modulace s konstantní modulační obálkou zejména z důvodů velice striktních omezení pro velikost výkonu vyzářeného do sousedního kanálu. Dosahují tak pouze kompromisních hodnot komunikační účinnosti. Úpravy limitů příslušných rádiových parametrů a rychlý rozvoj prostředků číslicového zpracování signálu v nedávné době, dnes umožňují ekonomicky přijatelné využití spektrálně efektivnějších modulačních technik i v těch oblastech, kde je prioritní využívání úzkých rádiových kanálů. Cílem předkládané disertační práce je proto výzkum postupů směřující ke sjednocení výhodných vlastností lineárních a nelineárních modulací v moderní konstrukci úzkopásmového rádiového modemu. Účelem tohoto výzkumu je efektivní a „ekologické“ využívání přidělené části frekvenčního spektra. Mezi hlavní dílčí problémy, jimiž se předkládaná práce zabývá, lze zařadit zejména tyto: Nyquistova modulační filtrace, navrhovaná s ohledem na minimalizaci nežádoucích elektromagnetických interferencí, efektivní číslicové algoritmy frekvenční demodulace a rychlé rámcové a symbolové synchronizace. Součástí práce je dále analýza navrhovaného řešení z pohledu celkové konstrukce programově definovaného rádiového modemu v rovině simulací při vyšetřování robustnosti datového přenosu rádiovým kanálem s bílým Gaussovským šumem nebo kanálem s únikem v důsledku mnohacestného šíření signálu. Závěr práce je pak zaměřen na prezentování výsledků praktické části projektu, v níž byly testovány, měřeny a analyzovány dvě prototypové konstrukce rádiového zařízení. Tato finální část práce obsahuje i praktická doporučení, vedoucí k vyššímu stupni využitelnosti spektrálně efektivnějších komunikačních režimů v oblasti budoucí generace úzkopásmových zařízení pozemní pohyblivé rádiové služby.he industrial narrowband land mobile radio (LMR) devices, as considered in this dissertation project, has been subject to European standard ETSI EN 300 113. The system operates on frequencies between 30 MHz and 1 GHz, with channel separations of up to 25 kHz, and is intended for private, fixed, or mobile, radio packet switching networks. Data telemetry, SCADA, maritime and police radio services; traffic monitoring; gas, water, and electricity producing factories are the typical system applications. Long distance coverage, high power efficiency, and efficient channel access techniques in half duplex operation are the primary advantages the system relays on. Very low level of adjacent channel power emissions and robust radio receiver architectures, with high dynamic range, enable for a system’s coexistence with various communication standards, without the additional guard band frequency intervals. On the other hand, the strict limitations of the referenced standard as well as the state of the technology, has hindered the increase in communication efficiency, with which the system has used its occupied bandwidth. New modifications and improvements are needed to the standard itself and to the up-to-date architectures of narrowband LMR devices, to make the utilization of more efficient modes of system operation practically realizable. The main objective of this dissertation thesis is therefore to find a practical way how to combine the favorable properties of the advanced nonlinear and linear digital modulation techniques in a single digital modem solution, in order to increase the efficiency of the narrowband radio channel usage allocated to the new generation of the industrial LMR devices. The main attention is given to the particular areas of digital modem design such as proposal of the new family of the Nyquist filters minimizing the adjacent channel interference, design and analysis of the efficient algorithms for frequency discrimination, fast frame and symbol

Software-Defined Radio Demonstrators: An Example and Future Trends

Software-defined radio requires the combination of software-based signal processing and the enabling hardware components. In this paper, we present an overview of the criteria for such platforms and the current state of development and future trends in this area. This paper will also provide details of a high-performance flexible radio platform called the maynooth adaptable radio system (MARS) that was developed to explore the use of software-defined radio concepts in the provision of infrastructure elements in a telecommunications application, such as mobile phone basestations or multimedia broadcasters

Software Defined Radio Platform for Cognitive Radio: Design and Hierarchical Management

ISBN 978-953-307-274-6Cognitive radio (CR) and/or Software Defined Radio (SDR) inherently require multiband and multi-standard wireless circuit. A SDR is a communications device whose functionality is defined in software. Defining the radio behaviour in software removes the need for hardware alterations during a technology upgrade. A promised open architecture platform for SDR is proposed in this chapter. The platform consists of reconfigurable and reprogrammable hardware platform which provide different standards with a common platform, the SDR software framework which control and manage the whole systems, and the protocol processing software modules which is built on reusable protocol libraries. The main idea here is to have a very flexible platform that enables us to test the validity of the following design approaches: FPGA dynamic partial reconfiguration techniques, parameterization design approach using common operators, hierarchical distributed reconfiguration management

Analysis and Design of Wideband Low Noise Amplifier with Digital Control

The design issues in designing low noise amplifier (LNA) for Software-Defined-Radio (SDR) are reviewed. An inductor-less wideband low noise amplifier aiming at low frequency band (0.2-2GHz) for Software-Defined-Radio is presented. Shunt-shunt LNA with active feedback is used as the first stage which is carefully optimized for low noise and wide band applications. A digitally controlled second stage is employed to provide an additional 12dB gain control. A novel method is proposed to bypass the first stage without degrading input matching. This LNA is fabricated in a standard 0.18 um CMOS technology. The measurement result shows the proposed LNA has a gain range of 6dB-18dB at high gain mode and -12dB-0dB at low gain mode, as well as a –3dB bandwidth of 2GHz. The noise figure (NF) is 3.5-4.5dB in the high gain setting mode. It consumes 20mW from a 1.8V supply