Independent component analysis applications in CDMA systems

Thesis (Master)--Izmir Institute of Technology, Electronics and Communication Engineering, Izmir, 2004Includes bibliographical references (leaves: 56)Text in English; Abstract: Turkish and Englishxi, 96 leavesBlind source separation (BSS) methods, independent component analysis (ICA) and independent factor analysis (IFA) are used for detecting the signal coming to a mobile user which is subject to multiple access interference in a CDMA downlink communication. When CDMA models are studied for different channel characteristics, it is seen that they are similar with BSS/ICA models. It is also showed that if ICA is applied to these CDMA models, desired user.s signal can be estimated successfully without channel information and other users. code sequences. ICA detector is compared with matched filter detector and other conventional detectors using simulation results and it is seen that ICA has some advantages over the other methods.The other BSS method, IFA is applied to basic CDMA downlink model. Since IFA has some convergence and speed problems when the number of sources is large, firstly basic CDMA model with ideal channel assumption is used in IFA application.With simulation of ideal CDMA channel, IFA is compared with ICA and matched filter.Furthermore, Pearson System-based ICA (PS-ICA) method is used forestimating non-Gaussian multipath fading channel coefficients. Considering some fading channel measurements showing that the fading channel coefficients may have an impulsive nature, these coefficients are modeled with an -stable distribution whose shape parameter takes values close to 2 which makes the distributions slightly impulsive. Simulation results are obtained to compare PS-ICA with classical ICA.Also IFA is applied to the single path CDMA downlink model to estimate fading channel by using the advantage of IFA which is the capability to estimate sources with wide class of distributions

Multiuser detection in CDMA using blind techniques

Thesis (Master)--Izmir Institute of Technology, Electronics and Communication Engineering, Izmir, 2004Includes bibliographical references (leaves: 63-65)Text in English; Abstract: Turkish and Englishxiv, 69 leavesIn code division multiple access (CDMA) systems, blind multiuser detection (MUD) techniques are of great importance, especially for downlinks, since in practice, it may be unrealistic for a mobile user to know the spreading codes of other active users in the channel. Furthermore, blind methods remove the need for training sequences which leads to a gain in the channel bandwidth. Subspace concept in blind MUD is an alternative process to classical and batch blind MUD techniques based on principle component analysis, or independent component analysis (ICA) and ICA-like algorithms, such as joint approximate diagonalization of eigen-matrices (JADE), blind source separation algorithm with reference system, etc. Briefly, the desired signal is searched in the signal subspace instead of the whole space, in this type of detectors. A variation of the subspace-based MUD is reduced-rank MUD in which a smaller subspace of the signal subspace is tracked where the desired signal is contained in. This latter method leads to a performance gain compared to a standard subspace method. In this thesis, blind signal subspace and reduced-rank MUD techniques are investigated, and applied to minimum mean square error (MMSE) detectors with two different iterative subspace tracking algorithms. The performances of these detectors are compared in different scenarios for additive white Gaussian noise and for multipath fading channels as well. With simulation results the superiority of the reduced-rank detector to the signal subspace detector is shown. Additionally, as a new remark for both detectors, it is shown that, using minimum description length criterion in subspace tracking algorithm results in an increase in rank-tracking ability and correspondingly in the final performance. Finally, the performances of these two detectors are compared with MMSE, adaptive MMSE and JADE detectors

Wideband mobile propagation channels: Modelling measurements and characterisation for microcellular environments

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A unified approach to sparse signal processing

A unified view of the area of sparse signal processing is presented in tutorial form by bringing together various fields in which the property of sparsity has been successfully exploited. For each of these fields, various algorithms and techniques, which have been developed to leverage sparsity, are described succinctly. The common potential benefits of significant reduction in sampling rate and processing manipulations through sparse signal processing are revealed. The key application domains of sparse signal processing are sampling, coding, spectral estimation, array processing, compo-nent analysis, and multipath channel estimation. In terms of the sampling process and reconstruction algorithms, linkages are made with random sampling, compressed sensing and rate of innovation. The redundancy introduced by channel coding i

Hybrid solutions to instantaneous MIMO blind separation and decoding: narrowband, QAM and square cases

Future wireless communication systems are desired to support high data rates and high quality transmission when considering the growing multimedia applications. Increasing the channel throughput leads to the multiple input and multiple output and blind equalization techniques in recent years. Thereby blind MIMO equalization has attracted a great interest.Both system performance and computational complexities play important roles in real time communications. Reducing the computational load and providing accurate performances are the main challenges in present systems. In this thesis, a hybrid method which can provide an affordable complexity with good performance for Blind Equalization in large constellation MIMO systems is proposed first. Saving computational cost happens both in the signal sep- aration part and in signal detection part. First, based on Quadrature amplitude modulation signal characteristics, an efficient and simple nonlinear function for the Independent Compo- nent Analysis is introduced. Second, using the idea of the sphere decoding, we choose the soft information of channels in a sphere, and overcome the so- called curse of dimensionality of the Expectation Maximization (EM) algorithm and enhance the final results simultaneously. Mathematically, we demonstrate in the digital communication cases, the EM algorithm shows Newton -like convergence.Despite the widespread use of forward -error coding (FEC), most multiple input multiple output (MIMO) blind channel estimation techniques ignore its presence, and instead make the sim- plifying assumption that the transmitted symbols are uncoded. However, FEC induces code structure in the transmitted sequence that can be exploited to improve blind MIMO channel estimates. In final part of this work, we exploit the iterative channel estimation and decoding performance for blind MIMO equalization. Experiments show the improvements achievable by exploiting the existence of coding structures and that it can access the performance of a BCJR equalizer with perfect channel information in a reasonable SNR range. All results are confirmed experimentally for the example of blind equalization in block fading MIMO systems

Multi-carrier CDMA using convolutional coding and interference cancellation

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre-DSC:DXN016251 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

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