Performance evaluation of non-prefiltering vs. time reversal prefiltering in distributed and uncoordinated IR-UWB ad-hoc networks

Time Reversal (TR) is a prefiltering scheme mostly analyzed in the context of centralized and synchronous IR-UWB networks, in order to leverage the trade-off between communication performance and device complexity, in particular in presence of multiuser interference. Several strong assumptions have been typically adopted in the analysis of TR, such as the absence of Inter-Symbol / Inter-Frame Interference (ISI/IFI) and multipath dispersion due to complex signal propagation. This work has the main goal of comparing the performance of TR-based systems with traditional non-prefiltered schemes, in the novel context of a distributed and uncoordinated IR-UWB network, under more realistic assumptions including the presence of ISI/IFI and multipath dispersion. Results show that, lack of power control and imperfect channel knowledge affect the performance of both non-prefiltered and TR systems; in these conditions, TR prefiltering still guarantees a performance improvement in sparse/low-loaded and overloaded network scenarios, while the opposite is true for less extreme scenarios, calling for the developement of an adaptive scheme that enables/disables TR prefiltering depending on network conditions

Indoor wireless communications and applications

Chapter 3 addresses challenges in radio link and system design in indoor scenarios. Given the fact that most human activities take place in indoor environments, the need for supporting ubiquitous indoor data connectivity and location/tracking service becomes even more important than in the previous decades. Specific technical challenges addressed in this section are(i), modelling complex indoor radio channels for effective antenna deployment, (ii), potential of millimeter-wave (mm-wave) radios for supporting higher data rates, and (iii), feasible indoor localisation and tracking techniques, which are summarised in three dedicated sections of this chapter

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

Wireless Alliance for Testing Experiment and Research (WALTER) Experts Workshop

The purpose of the publication is to describe the WALTER experts workshop and related results and findings. The workshop was conducted in Ispra, Varese, Italy from the 2nd to the 3rd of July 2008 at the European Commission JRC facilities. The workshop was organized as part of the FP7 WALTER project, which has the objective of define a networked test bed laboratory to evaluate UltraWideBand (UWB) technology and equipment. The purpose of WALTER workshop was to present and discuss the current regulatory, standardization and research status of UltraWideBand (UWB) technology with special focus on the definition of requirements, methodologies and tools for UWB measurements and testing. The WALTER workshop had the following main objectives: - Identify the main regulatory and standardization challenges for the adoption of UWB in Europe and the world. Support the identification and resolution of conflicting requirements. - Identify the main challenges in the UWB testing and measurements. Describe how the current industrial and research activity could support the resolution of these challenges. - Discuss the future developments like UWB at 60 GHz and innovative interference and mitigation techniques including Detect And Avoid (DAA). A number of international experts in the UltraWideBand field have been invited to participate to this workshop, to encourage bi-directional communication: in one direction to disseminate the information on WALTER project and its activities, in the other direction to collect the input and feedback on the regulatory and standardization work, industrial activity and research studies.JRC.G.6-Sensors, radar technologies and cybersecurit

Deep Learning-aided TR-UWB MIMO System

This paper presents a novel deep learning-aided scheme dubbed PRρ-net for improving the bit error rate (BER) of the Time Reversal (TR) Ultra-Wideband (UWB) Multiple Input Multiple Output (MIMO) system with imperfect Channel State Information (CSI). The designed system employs Frequency Division Duplexing (FDD) with explicit feedback in a scenario where the CSI is subject to estimation and quantization errors. Imperfect CSI causes a drastic increase in BER of the FDD-based TR-UWB MIMO system, and we tackle this problem by proposing a novel neural network-aided design for the conventional precoder at the transmitter and equalizer at the receiver. A closed-form expression for the initial estimation of the channel correlation is derived by utilizing transmitted data in time-varying channel conditions modeled as a Markov process. Subsequently, a neural network-aided design is proposed to improve the initial estimate of channel correlation. An adaptive pilot transmission strategy for a more efficient data transmission is proposed that uses channel correlation information. The theoretical analysis of the model under the Gaussian assumptions is presented, and the results agree with the Monte-Carlo simulations. The simulation results indicate high performance gains when the suggested neural networks are used to combat the effect of channel imperfections

Towards 5G wireless systems: A modified Rake receiver for UWB indoor multipath channels

This paper presents a modified receiver based on the conventional Rake receiver for Ultra-Wide Band (UWB) indoor channels of femtocell systems and aims to propose a new solution to mitigate the multipath phenomenon. Furthermore, this work proposes an upgrade for the conventional Rake receiver to fulfill the needs of 5G wireless systems through a new concept named “hybrid femtocell” that joins UWB with millimeter wave (mmWave) signals. The modified receiver is considered to be a part of the UWB/mmWave hybrid femtocell system, where it is developed for confronting the indoor multipath channels and to ensure a flexible transmission based on an Intelligent Controlling System (ICS). Hence, we seek to exploit the circumstances when the channel is less complex to switch the transmission to a higher data rate through higher M-ary Pulse Position Modulation (PPM). Furthermore, an ICS algorithm is proposed and an analytical model is developed followed by performance studies through simulation results. The results show that using the UWB technology through the modified receiver in femtocells could aid in mitigating the multipath effects and ensuring high throughputs. Thus, the UWB based system promotes Internet of Things (IoT) devices in indoor multipath channels of future 5G