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

Timing and Carrier Synchronization in Wireless Communication Systems: A Survey and Classification of Research in the Last 5 Years

Timing and carrier synchronization is a fundamental requirement for any wireless communication system to work properly. Timing synchronization is the process by which a receiver node determines the correct instants of time at which to sample the incoming signal. Carrier synchronization is the process by which a receiver adapts the frequency and phase of its local carrier oscillator with those of the received signal. In this paper, we survey the literature over the last 5 years (2010–2014) and present a comprehensive literature review and classification of the recent research progress in achieving timing and carrier synchronization in single-input single-output (SISO), multiple-input multiple-output (MIMO), cooperative relaying, and multiuser/multicell interference networks. Considering both single-carrier and multi-carrier communication systems, we survey and categorize the timing and carrier synchronization techniques proposed for the different communication systems focusing on the system model assumptions for synchronization, the synchronization challenges, and the state-of-the-art synchronization solutions and their limitations. Finally, we envision some future research directions

Adaptive multiple symbol decision feedback for non-coherent detection.

Thesis (M.Sc.Eng.)-University of KwaZulu-Natal, Durban, 2006.Non-coherent detection is a simple form of signal detection and demodulation for digital communications. The main drawback of this detection method is the performance penalty incurred, since the channel state information is not known at the receiver. Multiple symbol detection (MSD) is a technique employed to close the gap between coherent and non-coherent detection schemes. Differentially encoded JW-ary phase shift keying (DM-PSK) is the classic modulation technique that is favourable for non-coherent detection. The main drawback for standard differential detection (SDD) has been the error floor incurred for frequency flat fading channels. Recently a decision feedback differential detection (DFDD) scheme, which uses the concept of MSD was proposed and offered significant performance gain over the SDD in the mobile flat fading channel, almost eliminating the error floor. This dissertation investigates multiple symbol decision feedback detection schemes, and proposes alternate adaptive strategies for non-coherent detection. An adaptive algorithm utilizing the numerically stable QR decomposition that does not require training symbols is proposed, named QR-DFDD. The QR-DFDD is modified to use a simpler QR decomposition method which incorporates sliding windows: QRSW-DFDD. This structure offers good tracking performance in flat fading conditions, while achieving near optimal DFDD performance. A bit interleaved coded decision feedback differential demodulation (DFDM) scheme, which takes advantage of the decision feedback concept and iterative decoding, was introduced by Lampe in 2001. This low complexity iterative demodulator relied on accurate channel statistics for optimal performance. In this dissertation an alternate adaptive DFDM is introduced using the recursive least squares (RLS) algorithm. The alternate iterative decoding procedure makes use of the convergence properties of the RLS algorithm that is more stable and achieves superior performance compared to the DFDM

Synchronisation in sampled receivers for narrowband digital modulation schemes.

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre- DSC:DXN0033576 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Efficient blind symbol rate estimation and data symbol detection algorithms for linearly modulated signals

Blind estimation of unknown channel parameters and data symbol detection represent major open problems in non-cooperative communication systems such as automatic modulation classification (AMC). This thesis focuses on estimating the symbol rate and detecting the data symbols. A blind oversampling-based signal detector under the circumstance of unknown symbol period is proposed. The thesis consists of two parts: a symbol rate estimator and a symbol detector. First, the symbol rate is estimated using the EM algorithm. In the EM algorithm, it is difficult to obtain the closed form of the log-likelihood function and the density function. Therefore, both functions are approximated by using the Particle Filter (PF) technique. In addition, the symbol rate estimator based on cyclic correlation is proposed as an initialization estimator since the EM algorithm requires initial estimates. To take advantage of the cyclostationary property of the received signal, there is a requirement that the sampling period should be at least four times less than the symbol period on the receiver side. Second, the blind data symbol detector based on the PF algorithm is designed. Since the signal is oversampled at the receiver side, a delayed multi-sampling PF detector is proposed to manage inter-symbol interference, which is caused by over- sampling, and to improve the demodulation performance of the data symbols. In the PF algorithm, the hybrid importance function is used to generate both data samples and channel model coe±cients, and the Mixture Kalman Filter (MKF) algorithm is used to marginalize out the fading channel coe±cients. At the end, two resampling schemes are adopted