Performance Analysis of Heterogeneous Feedback Design in an OFDMA Downlink with Partial and Imperfect Feedback

Current OFDMA systems group resource blocks into subband to form the basic feedback unit. Homogeneous feedback design with a common subband size is not aware of the heterogeneous channel statistics among users. Under a general correlated channel model, we demonstrate the gain of matching the subband size to the underlying channel statistics motivating heterogeneous feedback design with different subband sizes and feedback resources across clusters of users. Employing the best-M partial feedback strategy, users with smaller subband size would convey more partial feedback to match the frequency selectivity. In order to develop an analytical framework to investigate the impact of partial feedback and potential imperfections, we leverage the multi-cluster subband fading model. The perfect feedback scenario is thoroughly analyzed, and the closed form expression for the average sum rate is derived for the heterogeneous partial feedback system. We proceed to examine the effect of imperfections due to channel estimation error and feedback delay, which leads to additional consideration of system outage. Two transmission strategies: the fix rate and the variable rate, are considered for the outage analysis. We also investigate how to adapt to the imperfections in order to maximize the average goodput under heterogeneous partial feedback.Comment: To appear in IEEE Trans. on Signal Processin

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

Multipath Parameter Estimation from OFDM Signals in Mobile Channels

We study multipath parameter estimation from orthogonal frequency division multiplex signals transmitted over doubly dispersive mobile radio channels. We are interested in cases where the transmission is long enough to suffer time selectivity, but short enough such that the time variation can be accurately modeled as depending only on per-tap linear phase variations due to Doppler effects. We therefore concentrate on the estimation of the complex gain, delay and Doppler offset of each tap of the multipath channel impulse response. We show that the frequency domain channel coefficients for an entire packet can be expressed as the superimposition of two-dimensional complex sinusoids. The maximum likelihood estimate requires solution of a multidimensional non-linear least squares problem, which is computationally infeasible in practice. We therefore propose a low complexity suboptimal solution based on iterative successive and parallel cancellation. First, initial delay/Doppler estimates are obtained via successive cancellation. These estimates are then refined using an iterative parallel cancellation procedure. We demonstrate via Monte Carlo simulations that the root mean squared error statistics of our estimator are very close to the Cramer-Rao lower bound of a single two-dimensional sinusoid in Gaussian noise.Comment: Submitted to IEEE Transactions on Wireless Communications (26 pages, 9 figures and 3 tables

Future transmitter/receiver diversity schemes in broadcast wireless networks

An open diversity architecture for a cooperating broadcast wireless network is presented that exploits the strengths of the existing digital broadcast standards. Different diversity techniques for broadcast networks that will minimize the complexity of broadcast systems and improve received SNR of broadcast signals are described. Resulting digital broadcast networks could require fewer transmitter sites and thus be more cost-effective with less environmental impact. Transmit diversity is particularly investigated since it obviates the major disadvantage of receive diversity being the difficulty of locating two receive antennas far enough apart in a small mobile device. The schemes examined here are compatible with existing broadcast and cellular telecom standards and can be incorporated into existing systems without change

Phase Synchronization Operator for On-Chip Brain Functional Connectivity Computation

This paper presents an integer-based digital processor for the calculation of phase synchronization between two neural signals. It is based on the measurement of time periods between two consecutive minima. The simplicity of the approach allows for the use of elementary digital blocks, such as registers, counters, and adders. The processor, fabricated in a 0.18- μ m CMOS process, only occupies 0.05 mm 2 and consumes 15 nW from a 0.5 V supply voltage at a signal input rate of 1024 S/s. These low-area and low-power features make the proposed processor a valuable computing element in closed-loop neural prosthesis for the treatment of neural disorders, such as epilepsy, or for assessing the patterns of correlated activity in neural assemblies through the evaluation of functional connectivity maps.Ministerio de Economía y Competitividad TEC2016-80923-POffice of Naval Research (USA) N00014-19-1-215

Raking the Cocktail Party

We present the concept of an acoustic rake receiver---a microphone beamformer that uses echoes to improve the noise and interference suppression. The rake idea is well-known in wireless communications; it involves constructively combining different multipath components that arrive at the receiver antennas. Unlike spread-spectrum signals used in wireless communications, speech signals are not orthogonal to their shifts. Therefore, we focus on the spatial structure, rather than temporal. Instead of explicitly estimating the channel, we create correspondences between early echoes in time and image sources in space. These multiple sources of the desired and the interfering signal offer additional spatial diversity that we can exploit in the beamformer design. We present several "intuitive" and optimal formulations of acoustic rake receivers, and show theoretically and numerically that the rake formulation of the maximum signal-to-interference-and-noise beamformer offers significant performance boosts in terms of noise and interference suppression. Beyond signal-to-noise ratio, we observe gains in terms of the \emph{perceptual evaluation of speech quality} (PESQ) metric for the speech quality. We accompany the paper by the complete simulation and processing chain written in Python. The code and the sound samples are available online at \url{http://lcav.github.io/AcousticRakeReceiver/}.Comment: 12 pages, 11 figures, Accepted for publication in IEEE Journal on Selected Topics in Signal Processing (Special Issue on Spatial Audio