Multi-standard programmable baseband modulator for next generation wireless communication

Considerable research has taken place in recent times in the area of parameterization of software defined radio (SDR) architecture. Parameterization decreases the size of the software to be downloaded and also limits the hardware reconfiguration time. The present paper is based on the design and development of a programmable baseband modulator that perform the QPSK modulation schemes and as well as its other three commonly used variants to satisfy the requirement of several established 2G and 3G wireless communication standards. The proposed design has been shown to be capable of operating at a maximum data rate of 77 Mbps on Xilinx Virtex 2-Pro University field programmable gate array (FPGA) board. The pulse shaping root raised cosine (RRC) filter has been implemented using distributed arithmetic (DA) technique in the present work in order to reduce the computational complexity, and to achieve appropriate power reduction and enhanced throughput. The designed multiplier-less programmable 32-tap FIR-based RRC filter has been found to withstand a peak inter-symbol interference (ISI) distortion of -41 dB

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

AirSync: Enabling Distributed Multiuser MIMO with Full Spatial Multiplexing

The enormous success of advanced wireless devices is pushing the demand for higher wireless data rates. Denser spectrum reuse through the deployment of more access points per square mile has the potential to successfully meet the increasing demand for more bandwidth. In theory, the best approach to density increase is via distributed multiuser MIMO, where several access points are connected to a central server and operate as a large distributed multi-antenna access point, ensuring that all transmitted signal power serves the purpose of data transmission, rather than creating "interference." In practice, while enterprise networks offer a natural setup in which distributed MIMO might be possible, there are serious implementation difficulties, the primary one being the need to eliminate phase and timing offsets between the jointly coordinated access points. In this paper we propose AirSync, a novel scheme which provides not only time but also phase synchronization, thus enabling distributed MIMO with full spatial multiplexing gains. AirSync locks the phase of all access points using a common reference broadcasted over the air in conjunction with a Kalman filter which closely tracks the phase drift. We have implemented AirSync as a digital circuit in the FPGA of the WARP radio platform. Our experimental testbed, comprised of two access points and two clients, shows that AirSync is able to achieve phase synchronization within a few degrees, and allows the system to nearly achieve the theoretical optimal multiplexing gain. We also discuss MAC and higher layer aspects of a practical deployment. To the best of our knowledge, AirSync offers the first ever realization of the full multiuser MIMO gain, namely the ability to increase the number of wireless clients linearly with the number of jointly coordinated access points, without reducing the per client rate.Comment: Submitted to Transactions on Networkin

Spectrum sharing security and attacks in CRNs: a review

Cognitive Radio plays a major part in communication technology by resolving the shortage of the spectrum through usage of dynamic spectrum access and artificial intelligence characteristics. The element of spectrum sharing in cognitive radio is a fundament al approach in utilising free channels. Cooperatively communicating cognitive radio devices use the common control channel of the cognitive radio medium access control to achieve spectrum sharing. Thus, the common control channel and consequently spectrum sharing security are vital to ensuring security in the subsequent data communication among cognitive radio nodes. In addition to well known security problems in wireless networks, cognitive radio networks introduce new classes of security threats and challenges, such as licensed user emulation attacks in spectrum sensing and misbehaviours in the common control channel transactions, which degrade the overall network operation and performance. This review paper briefly presents the known threats and attacks in wireless networks before it looks into the concept of cognitive radio and its main functionality. The paper then mainly focuses on spectrum sharing security and its related challenges. Since spectrum sharing is enabled through usage of the common control channel, more attention is paid to the security of the common control channel by looking into its security threats as well as protection and detection mechanisms. Finally, the pros and cons as well as the comparisons of different CR - specific security mechanisms are presented with some open research issues and challenges