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

On the Relay-Fallback Tradeoff in Millimeter Wave Wireless System

Millimeter wave (mmWave) communications systems are promising candidate to support extremely high data rate services in future wireless networks. MmWave communications exhibit high penetration loss (blockage) and require directional transmissions to compensate for severe channel attenuations and for high noise powers. When blockage occurs, there are at least two simple prominent options: 1) switching to the conventional microwave frequencies (fallback option) and 2) using an alternative non-blocked path (relay option). However, currently it is not clear under which conditions and network parameters one option is better than the other. To investigate the performance of the two options, this paper proposes a novel blockage model that allows deriving maximum achievable throughput and delay performance of both options. A simple criterion to decide which option should be taken under which network condition is provided. By a comprehensive performance analysis, it is shown that the right option depends on the payload size, beam training overhead, and blockage probability. For a network with light traffic and low probability of blockage in the direct link, the fallback option is throughput- and delay-optimal. For a network with heavy traffic demands and semi-static topology (low beam-training overhead), the relay option is preferable.Comment: 6 pages, 5 figures, accepted in IEEE INFOCOM mmNet Worksho

Exploiting Spatial Interference Alignment and Opportunistic Scheduling in the Downlink of Interference Limited Systems

In this paper we analyze the performance of single stream and multi-stream spatial multiplexing (SM) systems employing opportunistic scheduling in the presence of interference. In the proposed downlink framework, every active user reports the post-processing signal-to-interference-plus-noise-power-ratio (post-SINR) or the receiver specific mutual information (MI) to its own transmitter using a feedback channel. The combination of scheduling and multi-antenna receiver processing leads to substantial interference suppression gain. Specifically, we show that opportunistic scheduling exploits spatial interference alignment (SIA) property inherent to a multi-user system for effective interference mitigation. We obtain bounds for the outage probability and the sum outage capacity for single stream and multi stream SM employing real or complex encoding for a symmetric interference channel model. The techniques considered in this paper are optimal in different operating regimes. We show that the sum outage capacity can be maximized by reducing the SM rate to a value less than the maximum allowed value. The optimum SM rate depends on the number of interferers and the number of available active users. In particular, we show that the generalized multi-user SM (MU SM) method employing real-valued encoding provides a performance that is either comparable, or significantly higher than that of MU SM employing complex encoding. A combination of analysis and simulation is used to describe the trade-off between the multiplexing rate and sum outage capacity for different antenna configurations

Performance Analysis and Design of Maximum Ratio Combining in Channel-Aware MIMO Decision Fusion

In this paper we present a theoretical performance analysis of the maximum ratio combining (MRC) rule for channel-aware decision fusion over multiple-input multiple-output (MIMO) channels for (conditionally) dependent and independent local decisions. The system probabilities of false alarm and detection conditioned on the channel realization are derived in closed form and an approximated threshold choice is given. Furthermore, the channel-averaged (CA) performances are evaluated in terms of the CA system probabilities of false alarm and detection and the area under the receiver operating characteristic (ROC) through the closed form of the conditional moment generating function (MGF) of the MRC statistic, along with Gauss-Chebyshev (GC) quadrature rules. Furthermore, we derive the deflection coefficients in closed form, which are used for sensor threshold design. Finally, all the results are confirmed through Monte Carlo simulations.Comment: To appear in IEEE Transactions on Wireless Communication

Asymptotic Performance of Linear Receivers in MIMO Fading Channels

Linear receivers are an attractive low-complexity alternative to optimal processing for multi-antenna MIMO communications. In this paper we characterize the information-theoretic performance of MIMO linear receivers in two different asymptotic regimes. For fixed number of antennas, we investigate the limit of error probability in the high-SNR regime in terms of the Diversity-Multiplexing Tradeoff (DMT). Following this, we characterize the error probability for fixed SNR in the regime of large (but finite) number of antennas. As far as the DMT is concerned, we report a negative result: we show that both linear Zero-Forcing (ZF) and linear Minimum Mean-Square Error (MMSE) receivers achieve the same DMT, which is largely suboptimal even in the case where outer coding and decoding is performed across the antennas. We also provide an approximate quantitative analysis of the markedly different behavior of the MMSE and ZF receivers at finite rate and non-asymptotic SNR, and show that while the ZF receiver achieves poor diversity at any finite rate, the MMSE receiver error curve slope flattens out progressively, as the coding rate increases. When SNR is fixed and the number of antennas becomes large, we show that the mutual information at the output of a MMSE or ZF linear receiver has fluctuations that converge in distribution to a Gaussian random variable, whose mean and variance can be characterized in closed form. This analysis extends to the linear receiver case a well-known result previously obtained for the optimal receiver. Simulations reveal that the asymptotic analysis captures accurately the outage behavior of systems even with a moderate number of antennas.Comment: 48 pages, Submitted to IEEE Transactions on Information Theor