Wireless Channel Equalization in Digital Communication Systems

Our modern society has transformed to an information-demanding system, seeking voice, video, and data in quantities that could not be imagined even a decade ago. The mobility of communicators has added more challenges. One of the new challenges is to conceive highly reliable and fast communication system unaffected by the problems caused in the multipath fading wireless channels. Our quest is to remove one of the obstacles in the way of achieving ultimately fast and reliable wireless digital communication, namely Inter-Symbol Interference (ISI), the intensity of which makes the channel noise inconsequential. The theoretical background for wireless channels modeling and adaptive signal processing are covered in first two chapters of dissertation. The approach of this thesis is not based on one methodology but several algorithms and configurations that are proposed and examined to fight the ISI problem. There are two main categories of channel equalization techniques, supervised (training) and blind unsupervised (blind) modes. We have studied the application of a new and specially modified neural network requiring very short training period for the proper channel equalization in supervised mode. The promising performance in the graphs for this network is presented in chapter 4. For blind modes two distinctive methodologies are presented and studied. Chapter 3 covers the concept of multiple cooperative algorithms for the cases of two and three cooperative algorithms. The select absolutely larger equalized signal and majority vote methods have been used in 2-and 3-algoirithm systems respectively. Many of the demonstrated results are encouraging for further research. Chapter 5 involves the application of general concept of simulated annealing in blind mode equalization. A limited strategy of constant annealing noise is experimented for testing the simple algorithms used in multiple systems. Convergence to local stationary points of the cost function in parameter space is clearly demonstrated and that justifies the use of additional noise. The capability of the adding the random noise to release the algorithm from the local traps is established in several cases

Coherent Optical OFDM Modem Employing Artificial Neural Networks for Dispersion and Nonlinearity Compensation in a Long-Haul Transmission System

In order to satisfy the ever increasing demand for the bandwidth requirement in broadband services the optical orthogonal frequency division multiplexing (OOFDM) scheme is being considered as a promising technique for future high-capacity optical networks. The aim of this thesis is to investigate, theoretically, the feasibility of implementing the coherent optical OFDM (CO-OOFDM) technique in long haul transmission networks. For CO-OOFDM and Fast-OFDM systems a set of modulation formats dependent analogue to digital converter (ADC) clipping ratio and the quantization bit have been identified, moreover, CO-OOFDM is more resilient to the chromatic dispersion (CD) when compared to the bandwidth efficient Fast-OFDM scheme. For CO-OOFDM systems numerical simulations are undertaken to investigate the effect of the number of sub-carriers, the cyclic prefix (CP), and ADC associated parameters such as the sampling speed, the clipping ratio, and the quantisation bit on the system performance over single mode fibre (SMF) links for data rates up to 80 Gb/s. The use of a large number of sub-carriers is more effective in combating the fibre CD compared to employing a long CP. Moreover, in the presence of fibre non-linearities identifying the optimum number of sub-carriers is a crucial factor in determining the modem performance. For a range of signal data rates up to 40 Gb/s, a set of data rate and transmission distance-dependent optimum ADC parameters are identified in this work. These parameters give rise to a negligible clipping and quantisation noise, moreover, ADC sampling speed can increase the dispersion tolerance while transmitting over SMF links. In addition, simulation results show that the use of adaptive modulation schemes improves the spectrum usage efficiency, thus resulting in higher tolerance to the CD when compared to the case where identical modulation formats are adopted across all sub-carriers. For a given transmission distance utilizing an artificial neural networks (ANN) equalizer improves the system bit error rate (BER) performance by a factor of 50% and 70%, respectively when considering SMF firstly CD and secondly nonlinear effects with CD. Moreover, for a fixed BER of 10-3 utilizing ANN increases the transmission distance by 1.87 times and 2 times, respectively while considering SMF CD and nonlinear effects. The proposed ANN equalizer performs more efficiently in combating SMF non-linearities than the previously published Kerr nonlinearity electrical compensation technique by a factor of 7

Artificial neural networks for location estimation and co-cannel interference suppression in cellular networks

This thesis reports on the application of artificial neural networks to two important problems encountered in cellular communications, namely, location estimation and co-channel interference suppression. The prediction of a mobile location using propagation path loss (signal strength) is a very difficult and complex task. Several techniques have been proposed recently mostly based on linearized, geometrical and maximum likelihood methods. An alternative approach based on artificial neural networks is proposed in this thesis which offers the advantages of increased flexibility to adapt to different environments and high speed parallel processing. Location estimation provides users of cellular telephones with information about their location. Some of the existing location estimation techniques such as those used in GPS satellite navigation systems require non-standard features, either from the cellular phone or the cellular network. However, it is possible to use the existing GSM technology for location estimation by taking advantage of the signals transmitted between the phone and the network. This thesis proposes the application of neural networks to predict the location coordinates from signal strength data. New multi-layered perceptron and radial basis function based neural networks are employed for the prediction of mobile locations using signal strength measurements in a simulated COST-231 metropolitan environment. In addition, initial preliminary results using limited available real signal-strength measurements in a metropolitan environment are also reported comparing the performance of the neural predictors with a conventional linear technique. The results indicate that the neural predictors can be trained to provide a near perfect mapping using signal strength measurements from two or more base stations. The second application of neural networks addressed in this thesis, is concerned with adaptive equalization, which is known to be an important technique for combating distortion and Inter-Symbol Interference (ISI) in digital communication channels. However, many communication systems are also impaired by what is known as co-channel interference (CCI). Many digital communications systems such as digital cellular radio (DCR) and dual polarized micro-wave radio, for example, employ frequency re-usage and often exhibit performance limitation due to co-channel interference. The degradation in performance due to CCI is more severe than due to ISI. Therefore, simple and effective interference suppression techniques are required to mitigate the interference for a high-quality signal reception. The current work briefly reviews the application of neural network based non-linear adaptive equalizers to the problem of combating co-channel interference, without a priori knowledge of the channel or co-channel orders. A realistic co-channel system is used as a case study to demonstrate the superior equalization capability of the functional-link neural network based Decision Feedback Equalizer (DFE) compared to other conventional linear and neural network based non-linear adaptive equalizers.This project was funded by Solectron (Scotland) Ltd

Adaptive and efficient nonlinear channel equalization for underwater acoustic communication

We investigate underwater acoustic (UWA) channel equalization and introduce hierarchical and adaptive nonlinear (piecewise linear) channel equalization algorithms that are highly efficient and provide significantly improved bit error rate (BER) performance. Due to the high complexity of conventional nonlinear equalizers and poor performance of linear ones, to equalize highly difficult underwater acoustic channels, we employ piecewise linear equalizers. However, in order to achieve the performance of the best piecewise linear model, we use a tree structure to hierarchically partition the space of the received signal. Furthermore, the equalization algorithm should be completely adaptive, since due to the highly non-stationary nature of the underwater medium, the optimal mean squared error (MSE) equalizer as well as the best piecewise linear equalizer changes in time. To this end, we introduce an adaptive piecewise linear equalization algorithm that not only adapts the linear equalizer at each region but also learns the complete hierarchical structure with a computational complexity only polynomial in the number of nodes of the tree. Furthermore, our algorithm is constructed to directly minimize the final squared error without introducing any ad-hoc parameters. We demonstrate the performance of our algorithms through highly realistic experiments performed on practical field data as well as accurately simulated underwater acoustic channels. © 2017 Elsevier B.V

Signal Processing Research Program

Contains table of contents for Part III, table of contents for Section 1, an introduction and reports on fourteen research projects.Charles S. Draper Laboratory Contract DL-H-404158U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-89-J-1489National Science Foundation Grant MIP 87-14969Battelle LaboratoriesTel-Aviv University, Department of Electronic SystemsU.S. Army Research Office Contract DAAL03-86-D-0001The Federative Republic of Brazil ScholarshipSanders Associates, Inc.Bell Northern Research, Ltd.Amoco Foundation FellowshipGeneral Electric FellowshipNational Science Foundation FellowshipU.S. Air Force - Office of Scientific Research FellowshipU.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-85-K-0272Natural Science and Engineering Research Council of Canada - Science and Technology Scholarshi

Метод комплексної оцінки стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку

A method of integrated estimation of channel state in multiantenna radio communication systems was developed. The distinguishing feature of the proposed method is estimation for several indicators, namely the bit error probability in the channel, frequency and pulse response of the channel state. After obtaining of the channel estimate for each indicator, a generalized channel state estimate is formed. Formation of the channel state estimate for each of the estimation indicators takes place in a separate layer of the neural network using the apparatus of fuzzy sets after which a generalized estimate is formed at the neural network output. Development of the proposed method was determined by necessity to raise speed of estimation of the channel state in multiantenna radio communication systems at an acceptable computational complexity. According to the results of the study, it has been established that the proposed method makes it possible to increase speed of estimation of channel state in multiantenna systems on average up to 30 % depending on the channel state while accuracy of the channel state estimation decreases by 5‒7 % because of reduced informativeness of estimation (because of using the apparatus of fuzzy sets) and is able to adapt to the signaling situation in the channel by training the neural network. Neural network training takes place on the basis of a training sequence and completes adaptation to the channel state after 10‒12 iterations of training. It is advisable to apply this method in radio stations with a programmable architecture to improve their interference immunity by reducing time for making decision on the channel state.Разработан метод комплексной оценки состояния канала многоантенных систем радиосвязи. Отличительная особенность предлагаемого метода заключается в оценке состояния канала многоантенных систем радиосвязи по нескольким показателям, а именно: вероятность битовой ошибки канала, частотная характеристика состояния канала и импульсная характеристика состояния канала. После получения оценки канала по каждому показателю происходит формирование обобщенной оценки состояния канала. Формирование оценки состояния канала по каждому из показателей оценки происходит на отдельном слое нейронной сети с использованием аппарата нечетких множеств, после чего на выходе нейронной сети формируется обобщенная оценка. Разработка предложенного метода обусловлена необходимостью повышения скорости оценивания состояния канала многоантенных систем радиосвязи с приемлемой вычислительной сложностью. По результатам исследования установлено, что предложенный метод позволяет повысить скорость оценки состояния канала системы многоантенных систем в среднем до 30 % в зависимости от состояния канала, при этом отмечается ухудшение точности оценки состояния канала на уровне 5–7 % за счет уменьшения информативности оценивания (это обусловлено использованием аппарата нечетких множеств) и способен адаптироваться к сигнальной обстановки в канале за счет обучения нейронной сети. Обучение нейронной сети происходит на основе учебной (тренировочной) последовательности и на 10–12 итерации обучения полностью завершает адаптацию к состоянию канала. Указанный метод целесообразно использовать в радиостанциях с программируемой архитектурой для повышения их помехозащищенности за счет уменьшения времени на принятие решения о состоянии каналаРозроблено метод комплексної оцінки стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку. Відмінна особливість запропонованого методу полягає в оцінці стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку за декількома показниками, а саме: ймовірність бітової помилки каналу, частотна характеристика стану каналу та імпульсна характеристика стану каналу. Після отримання оцінки каналу по кожному показнику відбувається формування узагальненої оцінки стану каналу. Формування оцінки стану каналу по кожному з показників оцінки відбувається на окремому шарі нейронної мережі з використанням апарату нечітких множин, після чого на виході нейронної мережі формується узагальнена оцінка. Розробка запропонованого методу обумовлена необхідністю підвищення швидкості оцінювання стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку з прийнятною обчислювальною складністю.За результатами дослідження встановлено, що запропонований метод дозволяє підвищити швидкість оцінювання стану каналу багатоантенних систем в середньому до 30 % в залежності від стану каналу, при цьому відмічається погіршення точності оцінки стану каналу на рівні 5-7% за рахунок зменшення інформативності оцінювання (це обумовлене використанням апарату нечітких множин) та здатний адаптуватися до сигнальної обстановки в каналі за рахунок навчання нейронної мережі. Навчання нейронної мережі відбувається на основі навчальної (тренувальної) послідовності та на 10–12 ітерації навчання повністю завершує адаптацію до стану каналу. Зазначений метод доцільно використовувати в радіостанціях з програмованою архітектурою для підвищення їх завадозахищеності за рахунок зменшення часу на прийняття рішення щодо стану канал

Метод комплексної оцінки стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку

A method of integrated estimation of channel state in multiantenna radio communication systems was developed. The distinguishing feature of the proposed method is estimation for several indicators, namely the bit error probability in the channel, frequency and pulse response of the channel state. After obtaining of the channel estimate for each indicator, a generalized channel state estimate is formed. Formation of the channel state estimate for each of the estimation indicators takes place in a separate layer of the neural network using the apparatus of fuzzy sets after which a generalized estimate is formed at the neural network output. Development of the proposed method was determined by necessity to raise speed of estimation of the channel state in multiantenna radio communication systems at an acceptable computational complexity. According to the results of the study, it has been established that the proposed method makes it possible to increase speed of estimation of channel state in multiantenna systems on average up to 30 % depending on the channel state while accuracy of the channel state estimation decreases by 5‒7 % because of reduced informativeness of estimation (because of using the apparatus of fuzzy sets) and is able to adapt to the signaling situation in the channel by training the neural network. Neural network training takes place on the basis of a training sequence and completes adaptation to the channel state after 10‒12 iterations of training. It is advisable to apply this method in radio stations with a programmable architecture to improve their interference immunity by reducing time for making decision on the channel state.Разработан метод комплексной оценки состояния канала многоантенных систем радиосвязи. Отличительная особенность предлагаемого метода заключается в оценке состояния канала многоантенных систем радиосвязи по нескольким показателям, а именно: вероятность битовой ошибки канала, частотная характеристика состояния канала и импульсная характеристика состояния канала. После получения оценки канала по каждому показателю происходит формирование обобщенной оценки состояния канала. Формирование оценки состояния канала по каждому из показателей оценки происходит на отдельном слое нейронной сети с использованием аппарата нечетких множеств, после чего на выходе нейронной сети формируется обобщенная оценка. Разработка предложенного метода обусловлена необходимостью повышения скорости оценивания состояния канала многоантенных систем радиосвязи с приемлемой вычислительной сложностью. По результатам исследования установлено, что предложенный метод позволяет повысить скорость оценки состояния канала системы многоантенных систем в среднем до 30 % в зависимости от состояния канала, при этом отмечается ухудшение точности оценки состояния канала на уровне 5–7 % за счет уменьшения информативности оценивания (это обусловлено использованием аппарата нечетких множеств) и способен адаптироваться к сигнальной обстановки в канале за счет обучения нейронной сети. Обучение нейронной сети происходит на основе учебной (тренировочной) последовательности и на 10–12 итерации обучения полностью завершает адаптацию к состоянию канала. Указанный метод целесообразно использовать в радиостанциях с программируемой архитектурой для повышения их помехозащищенности за счет уменьшения времени на принятие решения о состоянии каналаРозроблено метод комплексної оцінки стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку. Відмінна особливість запропонованого методу полягає в оцінці стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку за декількома показниками, а саме: ймовірність бітової помилки каналу, частотна характеристика стану каналу та імпульсна характеристика стану каналу. Після отримання оцінки каналу по кожному показнику відбувається формування узагальненої оцінки стану каналу. Формування оцінки стану каналу по кожному з показників оцінки відбувається на окремому шарі нейронної мережі з використанням апарату нечітких множин, після чого на виході нейронної мережі формується узагальнена оцінка. Розробка запропонованого методу обумовлена необхідністю підвищення швидкості оцінювання стану каналу багатоантенних систем радіозв’язку з прийнятною обчислювальною складністю.За результатами дослідження встановлено, що запропонований метод дозволяє підвищити швидкість оцінювання стану каналу багатоантенних систем в середньому до 30 % в залежності від стану каналу, при цьому відмічається погіршення точності оцінки стану каналу на рівні 5-7% за рахунок зменшення інформативності оцінювання (це обумовлене використанням апарату нечітких множин) та здатний адаптуватися до сигнальної обстановки в каналі за рахунок навчання нейронної мережі. Навчання нейронної мережі відбувається на основі навчальної (тренувальної) послідовності та на 10–12 ітерації навчання повністю завершує адаптацію до стану каналу. Зазначений метод доцільно використовувати в радіостанціях з програмованою архітектурою для підвищення їх завадозахищеності за рахунок зменшення часу на прийняття рішення щодо стану канал

A Survey of Blind Modulation Classification Techniques for OFDM Signals

Blind modulation classification (MC) is an integral part of designing an adaptive or intelligent transceiver for future wireless communications. Blind MC has several applications in the adaptive and automated systems of sixth generation (6G) communications to improve spectral efficiency and power efficiency, and reduce latency. It will become a integral part of intelligent software-defined radios (SDR) for future communication. In this paper, we provide various MC techniques for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signals in a systematic way. We focus on the most widely used statistical and machine learning (ML) models and emphasize their advantages and limitations. The statistical-based blind MC includes likelihood-based (LB), maximum a posteriori (MAP) and feature-based methods (FB). The ML-based automated MC includes k-nearest neighbors (KNN), support vector machine (SVM), decision trees (DTs), convolutional neural networks (CNNs), recurrent neural networks (RNNs), and long short-term memory (LSTM) based MC methods. This survey will help the reader to understand the main characteristics of each technique, their advantages and disadvantages. We have also simulated some primary methods, i.e., statistical- and ML-based algorithms, under various constraints, which allows a fair comparison among different methodologies. The overall system performance in terms bit error rate (BER) in the presence of MC is also provided. We also provide a survey of some practical experiment works carried out through National Instrument hardware over an indoor propagation environment. In the end, open problems and possible directions for blind MC research are briefly discussed