Design of Waveform Set for Multiuser Ultra-Wideband Communications

The thesis investigates the design of analogue waveform sets for multiuser and UWB communications using suitably chosen Hermite-Rodriguez basis functions. The non-linear non-convex optimization problem with time and frequency domains constraints has been transformed into suitable forms and then solved using a standard optimization package. The proposed approach is more flexible and efficient than existing approaches in the literature. Numerical results show that orthogonal waveform sets with high spectral efficiency can be produced

Ultra Wideband Communications: from Analog to Digital

Ultrabreitband-Signale (Ultra Wideband [UWB]) können einen signifikanten Nutzen im Bereich drahtloser Kommunikationssysteme haben. Es sind jedoch noch einige Probleme offen, die durch Systemdesigner und Wissenschaftler gelöst werden müssen. Ein Funknetzsystem mit einer derart großen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine große Anzahl an Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie effektiv zu erfassen. Außerdem ist in vielen Fällen der naheliegende Ansatz, ein kohärenter Empfänger im Sinne eines signalangepassten Filters oder eines Korrelators, nicht unbedingt die beste Wahl. In der vorliegenden Arbeit wird dabei auf die bestehende Problematik und weitere Lösungsmöglichkeiten eingegangen. Im ersten Abschnitt geht es um „Impulse Radio UWB”-Systeme mit niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohärenter Empfänger zum Einsatz. Inkohärente Signaldetektion stellt insofern einen vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgünstige und robuste Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in Anwendungsfällen wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte Geräte mit langer Batterielaufzeit nötigsind. Dies verringert den für die Kanalschätzung und die Synchronisation nötigen Aufwand, was jedoch auf Kosten der Leistungseffizienz geht und eine erhöhte Störempfindlichkeit gegenüber Interferenz (z.B. Interferenz durch mehrere Nutzer oder schmalbandige Interferenz) zur Folge hat. Um die Bitfehlerrate der oben genannten Verfahren zu bestimmen, wurde zunächst ein inkohärenter Combining-Verlust spezifiziert, welcher auftritt im Gegensatz zu kohärenter Detektion mit Maximum Ratio Multipath Combining. Dieser Verlust hängt von dem Produkt aus der Länge des Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab. Um den Verlust durch inkohärentes Combining zu reduzieren und somit die Leistungseffizienz des Empfängers zu steigern, werden verbesserte Combining-Methoden für Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger Empfänger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen „Integrate and Dump”-Filter implementiert ist, wird für UWB-Systeme mit Zeit-Hopping gezeigt. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von dünn besetzten Codes in solchen System diskutiert und bewertet. Des Weiteren wird eine Regel für die Code-Auswahl vorgestellt, welche die Stabilität des Systems gegen Mehrnutzer-Störungen sicherstellt und gleichzeitig den Verlust durch inkohärentes Combining verringert. Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohärenter Demodulation. Im Vergleich zum Analogempfänger besitzt ein Digitalempfänger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den Mehrfachzugriffscode kohärent und beschränkt das inkohärente Combining auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewährleisten. Diese Digitaltechnik macht den Einsatz langer Analogverzögerungen bei differentieller Demodulation unnötig und ermöglicht viele Arten der digitalen Signalverarbeitung. Im Vergleich zur Analogtechnik reduziert sie nicht nur den inkohärenten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stärkere Resistenz gegenüber Störungen. Dabei werden die Auswirkungen der Auflösung und der Abtastrate der Analog-Digital-Umsetzung analysiert. Die Resultate zeigen, dass die verminderte Effizienz solcher Analog-Digital-Wandler gering ausfällt. Weiterhin zeigt sich, dass im Falle starker Mehrnutzerinterferenz sogar eine Verbesserung der Ergebnisse zu beobachten ist. Die vorgeschlagenen Design-Regeln spezifizieren die Anwendung der Analog-Digital-Wandler und die Auswahl der Systemparameter in Abhängigkeit der verwendeten Mehrfachzugriffscodes und der Modulationsart. Wir zeigen, wie unter Anwendung erweiterter Modulationsverfahren die Leistungseffizienz verbessert werden kann und schlagen ein Verfahren zur Unterdrückung schmalbandiger Störer vor, welches auf Soft Limiting aufbaut. Durch die Untersuchungen und Ergebnissen zeigt sich, dass inkohärente Empfänger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger Datenrate ein großes Potential aufweisen. Außerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen Kompromiss zwischen inkohärentem Combining-Verlust und Stabilität gegenüber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept für UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohärente oder inkohärente Empfänger, welche als UWB-Systeme Frequenz-Hopping nutzen. Der wesentliche Vorteil hiervon liegt darin, dass die Bandbreite im Basisband sich deutlich verringert. Mithin ermöglicht dies einfach zu realisierende digitale Signalverarbeitungstechnik mit kostengünstigen Analog-Digital-Wandlern. Dies stellt eine neue Epoche in der Forschung im Bereich drahtloser Sensorfunknetze dar. Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts stellt adaptiven Signalverarbeitung für hohe Datenraten mit „Direct Sequence”-UWB-Systemen in den Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der großen Anzahl der empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw. Intrasymbolinterferenzen. Außerdem kann die Funktionalität des Systems durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst werden. Um sie zu eliminieren, wird die „Widely Linear”-Rangreduzierung benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr große Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate). Zusätzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollständig ausnutzen, was sich in verbesserten Schätzergebnissen widerspiegelt. Allgemeine kann die Methode der „Widely Linear”-Rangreduzierung auch in andern Bereichen angewendet werden, z.B. in „Direct Sequence”-Codemultiplexverfahren (DS-CDMA), im MIMO-Bereich, im Global System for Mobile Communications (GSM) und beim Beamforming.The aim of this thesis is to investigate key issues encountered in the design of transmission schemes and receiving techniques for Ultra Wideband (UWB) communication systems. Based on different data rate applications, this work is divided into two parts, where energy efficient and robust physical layer solutions are proposed, respectively. Due to a huge bandwidth of UWB signals, a considerable amount of multipath arrivals with various path gains is resolvable at the receiver. For low data rate impulse radio UWB systems, suboptimal non-coherent detection is a simple way to effectively capture the multipath energy. Feasible techniques that increase the power efficiency and the interference robustness of non-coherent detection need to be investigated. For high data rate direct sequence UWB systems, a large number of multipath arrivals results in severe inter-/intra-symbol interference. Additionally, the system performance may also be deteriorated by multi-user interference and narrowband interference. It is necessary to develop advanced signal processing techniques at the receiver to suppress these interferences. Part I of this thesis deals with the co-design of signaling schemes and receiver architectures in low data rate impulse radio UWB systems based on non-coherent detection.● We analyze the bit error rate performance of non-coherent detection and characterize a non-coherent combining loss, i.e., a performance penalty with respect to coherent detection with maximum ratio multipath combining. The thorough analysis of this loss is very helpful for the design of transmission schemes and receive techniques innon-coherent UWB communication systems.● We propose to use optical orthogonal codes in a time hopping impulse radio UWB system based on an analog non-coherent receiver. The “analog” means that the major part of the multipath combining is implemented by an integrate and dump filter. The introduced semi-analytical method can help us to easily select the time hopping codes to ensure the robustness against the multi-user interference and meanwhile to alleviate the non-coherent combining loss.● The main contribution of Part I is the proposal of applying fully digital solutions in non-coherent detection. The proposed digital non-coherent receiver is based on a time domain analog-to-digital converter, which has a high speed but a very low resolution to maintain a reasonable power consumption. Compared to its analog counterpart, itnot only significantly reduces the non-coherent combining loss but also offers a higher interference robustness. In particular, the one-bit receiver can effectively suppress strong multi-user interference and is thus advantageous in separating simultaneously operating piconets.The fully digital solutions overcome the difficulty of implementing long analog delay lines and make differential UWB detection possible. They also facilitate the development of various digital signal processing techniques such as multi-user detection and non-coherent multipath combining methods as well as the use of advanced modulationschemes (e.g., M-ary Walsh modulation).● Furthermore, we present a novel impulse radio UWB system based on frequency hopping, where both coherent and non-coherent receivers can be adopted. The key advantage is that the baseband bandwidth can be considerably reduced (e.g., lower than 500 MHz), which enables low-complexity implementation of the fully digital solutions. It opens up various research activities in the application field of wireless sensor networks. Part II of this thesis proposes adaptive widely linear reduced-rank techniques to suppress interferences for high data rate direct sequence UWB systems, where second-order non-circular signals are used. The reduced-rank techniques are designed to improve the convergence performance and the interference robustness especially when the received vector contains a large number of samples (due to a high sampling rate in UWB systems). The widely linear processing takes full advantage of the second-order statistics of the non-circular signals and enhances the estimation performance. The generic widely linear reduced-rank concept also has a great potential in the applications of other systems such as Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), Multiple Input Multiple Output (MIMO) system, and Global System for Mobile Communications (GSM), or in other areas such as beamforming

FMCW Signals for Radar Imaging and Channel Sounding

A linear / stepped frequency modulated continuous wave (FMCW) signal has for a long time been used in radar and channel sounding. A novel FMCW waveform known as “Gated FMCW” signal is proposed in this thesis for the suppression of strong undesired signals in microwave radar applications, such as: through-the-wall, ground penetrating, and medical imaging radar. In these applications the crosstalk signal between antennas and the reflections form the early interface (wall, ground surface, or skin respectively) are much stronger in magnitude compared to the backscattered signal from the target. Consequently, if not suppressed they overshadow the target’s return making detection a difficult task. Moreover, these strong unwanted reflections limit the radar’s dynamic range and might saturate or block the receiver causing the reflection from actual targets (especially targets with low radar cross section) to appear as noise. The effectiveness of the proposed waveform as a suppression technique was investigated in various radar scenarios, through numerical simulations and experiments. Comparisons of the radar images obtained for the radar system operating with the standard linear FMCW signal and with the proposed Gated FMCW waveform are also made. In addition to the radar work the application of FMCW signals to radio propagation measurements and channel characterisation in the 60 GHz and 2-6 GHz frequency bands in indoor and outdoor environments is described. The data are used to predict the bit error rate performance of the in-house built measurement based channel simulator and the results are compared with the theoretical multipath channel simulator available in Matlab

Geração e distribuição de sinais ROF

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesO trabalho apresentado nesta dissertação incidiu no estudo de técnicas de geração e distribuição de sinais rádio sobre fibra (RoF). Numa primeira fase estudaram-se os vários componentes associados ao canal óptico, para se perceber de que forma cada um deles afecta os sinais RoF que se propagam, e quais serão as principais limitações associadas. No seguimento desse estudo inicial, efectuou-se trabalho experimental, de transmissão de sinais rádio (3G) sobre um sistema óptico mono-canal, para se observar e verificar os fenómenos limitativos identificados anteriormente. Posteriormente, foi abordada a geração de sinais rádio por multiplicação de frequência no domínio óptico, com reduzido custo e complexidade, utilizando um modulador Mach-Zhender em regime não-linear, considerando diferentes formatos de modulação. As simulações efectuadas incidiram na optimização das topologias e parâmetros associados aos diferentes componentes envolvidos, em particular na emissão e recepção. Este trabalho serviu de base ao apresentado no capítulo 5, em que se simulou e optimizou um cenário de distribuição em rede óptica passiva multi-canal, de sinais OFDM, compatíveis com UWB, gerados por multiplicação de frequência no domínio óptico.The work presented in this dissertation focused on the study of techniques for the generation and distribution of radio signals over fiber (RoF). Initially the various components associated to the optical channel were studied, to conclude how each of them affects the propagated RoF signals, and what are the key limitations associated. Following this initial study, experimental work was carried out, the transmission of radio signals (3G) on a single-channel optical system was studied, to observe and verify the limiting phenomena identified earlier. The next step was the generation of radio signals by frequency multiplication in the optical domain, with reduced cost and complexity, by using a Mach-Zehnder modulator in non-linear regime, considering different modulation formats. Several simulations were performed, focusing on optimizing topologies and parameters associated to the different components involved, especially in the transmitter and receiver. The performed work was the basis to the concepts presented in Chapter 5, in which a distribution scenario involving a passive optical network with multi-channel OFDM signals, compatible with UWB, generated by frequency multiplication in the optical domain was simulated and optimized

Nonlinear impairments and mitigation technologies for the next generation fiber-wireless mobile fronthaul networks

The proliferation of Internet-connected mobile devices and video-intensive services are driving the growth of mobile data traffic in an explosive way. The last mile of access networks, mobile fronthaul (MFH) networks, have become the data rate bottleneck of user experience. The objective of this research are two-fold. For analog MFH, nonlinear interferences among multiple bands of mobile signals in a multi-RAT multi-service radio-over-fiber (RoF)-based MFH system are investigated for the first time. The nonlinear impairments of both single-carrier and multi-carrier signals are investigated, and it is experimentally demonstrated that inter-channel interferences play a more important role in the performance degradation of analog MFH than the nonlinear distortions of each individual signal. A digital predistortion technique was also presented to linearize the analog MFH links. On the other hand, for digital MFH, we experimentally demonstrate a novel digitization interface based on delta-sigma modulation to replace the state-of-the-art common public radio interface (CPRI). Compared with CPRI, it provides improved spectral efficiency and enhanced fronthaul capacity, and can accommodate both 4G-LTE and 5G mobile services.Ph.D