Frequency UWB Channel

Ultra wideband (UWB) transmission systems are characterized with either a fractional bandwidth of more that 20%, or a large absolute bandwidth (>500 MHz) in the 3.1 GHz to 10.6 GHz band, and for a very low power spectral density (-41.25 dBm/MHz, equivalent to 75nW/MHz), which allows to share the spectrum with other narrowband and wideband systems without causing interference (FCC, 2002), this spectral allocation has initiated an extremely productive activity for industry and academia. Wireless communications experts now consider UWB as available spectrum to be utilized with a variety of techniques and not specifically related to the generation and detection of short RF pulses as in the past (Batra, 2004). For this reason, UWB systems are emerging as the best solution for high speed short range indoor wireless communication and sensor networks, with applications in home networking, high-quality multimedia content delivery, radars systems of high accuracy, etc. UWB has many attractive properties, including low interference to and from other wireless systems, easier wall and floor penetration, and inherent security due to its Low Probability Interception/Detection (LPI/D). Two of the most promising applications of UWB are High Data Rate Wireless Personal Area Network (HDR-WPAN), and Sensor Networks, where the good ranging and geo-location capabilities of UWB are particularly useful and of interest for military applications (Molisch, 2005)

Self-concatenated coding for wireless communication systems

In this thesis, we have explored self-concatenated coding schemes that are designed for transmission over Additive White Gaussian Noise (AWGN) and uncorrelated Rayleigh fading channels. We designed both the symbol-based Self-ConcatenatedCodes considered using Trellis Coded Modulation (SECTCM) and bit-based Self- Concatenated Convolutional Codes (SECCC) using a Recursive Systematic Convolutional (RSC) encoder as constituent codes, respectively. The design of these codes was carried out with the aid of Extrinsic Information Transfer (EXIT) charts. The EXIT chart based design has been found an efficient tool in finding the decoding convergence threshold of the constituent codes. Additionally, in order to recover the information loss imposed by employing binary rather than non-binary schemes, a soft decision demapper was introduced in order to exchange extrinsic information withthe SECCC decoder. To analyse this information exchange 3D-EXIT chart analysis was invoked for visualizing the extrinsic information exchange between the proposed Iteratively Decoding aided SECCC and soft-decision demapper (SECCC-ID). Some of the proposed SECTCM, SECCC and SECCC-ID schemes perform within about 1 dB from the AWGN and Rayleigh fading channels’ capacity. A union bound analysis of SECCC codes was carried out to find the corresponding Bit Error Ratio (BER) floors. The union bound of SECCCs was derived for communications over both AWGN and uncorrelated Rayleigh fading channels, based on a novel interleaver concept.Application of SECCCs in both UltraWideBand (UWB) and state-of-the-art video-telephone schemes demonstrated its practical benefits.In order to further exploit the benefits of the low complexity design offered by SECCCs we explored their application in a distributed coding scheme designed for cooperative communications, where iterative detection is employed by exchanging extrinsic information between the decoders of SECCC and RSC at the destination. In the first transmission period of cooperation, the relay receives the potentially erroneous data and attempts to recover the information. The recovered information is then re-encoded at the relay using an RSC encoder. In the second transmission period this information is then retransmitted to the destination. The resultant symbols transmitted from the source and relay nodes can be viewed as the coded symbols of a three-component parallel-concatenated encoder. At the destination a Distributed Binary Self-Concatenated Coding scheme using Iterative Decoding (DSECCC-ID) was employed, where the two decoders (SECCC and RSC) exchange their extrinsic information. It was shown that the DSECCC-ID is a low-complexity scheme, yet capable of approaching the Discrete-input Continuous-output Memoryless Channels’s (DCMC) capacity.Finally, we considered coding schemes designed for two nodes communicating with each other with the aid of a relay node, where the relay receives information from the two nodes in the first transmission period. At the relay node we combine a powerful Superposition Coding (SPC) scheme with SECCC. It is assumed that decoding errors may be encountered at the relay node. The relay node then broadcasts this information in the second transmission period after re-encoding it, again, using a SECCC encoder. At the destination, the amalgamated block of Successive Interference Cancellation (SIC) scheme combined with SECCC then detects and decodes the signal either with or without the aid of a priori information. Our simulation results demonstrate that the proposed scheme is capable of reliably operating at a low BER for transmission over both AWGN and uncorrelated Rayleigh fading channels. We compare the proposed scheme’s performance to a direct transmission link between the two sources having the same throughput

Étude d'un réseau de capteur UWB pour la localisation et la communication dans un environnement minier

Le jour n'est peut-être pas très loin où une mine pourra compter sur un système de communication sans fil pour échanger des données, transmettre des informations ou localiser des travailleurs dans le cas d'une activité normale ou en cas d'urgence. Au point de vue de la sécurité, un système de communications sans fil aurait l'avantage de localiser en temps réel un travailleur ou un engin. Les travailleurs se déplacent sans cesse dans une mine. Avec une technologie sans fil permanente, on pourrait localiser les personnes de manière relativement précise. Même en cas d'éboulement, avec une technologie adaptée, il serait possible de savoir où se trouve la personne en détresse. Notre travail de recherche s'inscrit dans la perspective du développement d'un réseau de capteurs ultra large bande (UWB) pour deux applications : l'aide à la radiolocalisation et l'extension du réseau de capteurs sans fil dans la mine. Cette étude est focalisée sur trois aspects. La première partie de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés à la radiolocalisation dans la mine. Vue l'importance de cette application, nous avons mis en oeuvre un réseau de capteurs en tenant compte d'un futur déploiement dans la mine. La technologie utilisée repose sur la technologie ultra large bande. Comme il n'existe pas de travaux qui traitent ce genre de problèmes, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal UWB dans les mines souterraines. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs campagnes de mesure sur site (mine expérimentale) ont été menées. Nous sommes parvenus à une modélisation du canal de propagation et à avancer des recommandations pour aider au dimensionnement d'un réseau de capteurs dans ce type d'environnement. Dans la première partie, le but est d'étudier le problème de radiolocalisation avec les réseaux de capteurs. Notre scénario proposé serait de placer des capteurs sur chaque agent (mineur, engin). On suppose que chaque noeud (agent) qui circule à travers un réseau d'ancre maillé (déjà déployé), va extraire des informations de distance (en utilisant le critère de temps d'arrivée), ensuite il va utiliser un algorithme de positionnement distribué afin de déterminer sa propre position. Lors de cette partie nous avons aussi étudié quelques estimateurs cohérents et non-cohérents du temps d'arrivée. La caractérisation de l'erreur de mesure utilisant le temps d'arrivée dans un environnement minier a été aussi évaluée. Enfin, dans la dernière partie, nous avons analysé par simulations un déploiement d'un réseau de capteurs UWB ad hoc dans la mine. Nous avons choisi d'adopter une approche théorique afin d'évaluer les performances de cette configuration. Une conception intercouche pour un routage optimal a été étudiée. Nous avons utilisé la couche physique/réseau afin de minimiser l'énergie consommée lors de l'acheminement du données

Space Shift Keying (SSK-) MIMO with Practical Channel Estimates

International audienceIn this paper, we study the performance of space modulation for Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) wireless systems with imperfect channel knowledge at the receiver. We focus our attention on two transmission technologies, which are the building blocks of space modulation: i) Space Shift Keying (SSK) modulation; and ii) Time-Orthogonal-Signal-Design (TOSD-) SSK modulation, which is an improved version of SSK modulation providing transmit-diversity. We develop a single- integral closed-form analytical framework to compute the Average Bit Error Probability (ABEP) of a mismatched detector for both SSK and TOSD-SSK modulations. The framework exploits the theory of quadratic-forms in conditional complex Gaussian Random Variables (RVs) along with the Gil-Pelaez inversion theorem. The analytical model is very general and can be used for arbitrary transmit- and receive-antennas, fading distributions, fading spatial correlations, and training pilots. The analytical derivation is substantiated through Monte Carlo simulations, and it is shown, over independent and identically distributed (i.i.d.) Rayleigh fading channels, that SSK modulation is as robust as single-antenna systems to imperfect channel knowledge, and that TOSD-SSK modulation is more robust to channel estimation errors than the Alamouti scheme. Furthermore, it is pointed out that only few training pilots are needed to get reliable enough channel estimates for data detection, and that transmit- and receive-diversity of SSK and TOSD-SSK modulations are preserved even with imperfect channel knowledge

Localization Of Sensors In Presence Of Fading And Mobility

The objective of this dissertation is to estimate the location of a sensor through analysis of signal strengths of messages received from a collection of mobile anchors. In particular, a sensor node determines its location from distance measurements to mobile anchors of known locations. We take into account the uncertainty and fluctuation of the RSS as a result of fading and take into account the decay of the RSS which is proportional to the transmitter-receiver distance power raised to the PLE. The objective is to characterize the channel in order to derive accurate distance estimates from RSS measurements and then utilize the distance estimates in locating the sensors. To characterize the channel, two techniques are presented for the mobile anchors to periodically estimate the channel\u27s PLE and fading parameter. Both techniques estimate the PLE by solving an equation via successive approximations. The formula in the first is stated directly from MLE analysis whereas in the second is derived from a simple probability analysis. Then two distance estimates are proposed, one based on a derived formula and the other based on the MLE analysis. Then a location technique is proposed where two anchors are sufficient to uniquely locate a sensor. That is, the sensor narrows down its possible locations to two when collects RSS measurements transmitted by a mobile anchor, then uniquely determines its location when given a distance to the second anchor. Analysis shows the PLE has no effect on the accuracy of the channel characterization, the normalized error in the distance estimation is invariant to the estimated distance, and accurate location estimates can be achieved from a moderate sample of RSS measurements

Bayesian Compressive Sensing Approach For Ultra-wideband Channel Estimation

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013Ultra geniş bant dürtü radyosu, kablosuz haberleşme için yeni gelişen bir teknolojidir. Amerika Birleşik Devletleri’nde haberleşme alanında düzenleyici kuruluş olan Federal Haberleşme Komisyonu (FCC) tarafından ultra geniş bant teknolojisiyle ilgili düzenlemeler yapıldıktan sonra öncelikle IEEE 802.15.3 standardı görev grubu, ultra geniş bant dürtü radyolarıyla yüksek hızlı kablosuz kişisel alan ağı uygulamaları için yeni bir fiziksel katman yapısı oluşturulması amacıyla 802.15.3a çalışma grubunu kurmuştur. Ultra geniş bant veri iletiminde iletim uzaklığındaki artış, veri hızında düşüşe neden olur. Bu doğrultuda IEEE 802.15.4 standardı görev grubu, ultra geniş bant dürtü radyolarıyla düşük hızlı fakat iletim uzaklığı daha büyük olan kablosuz kişisel alan ağı uygulamaları için yeni bir fiziksel katman yapısı oluşturulması amacıyla 802.15.4a çalışma grubunu kurmuştur. Bu çalışma grubu, özellikle ortalama bir veri hızı fakat düşük güç tüketimi, karmaşıklık ve maliyet gerektiren sensör ağı uygulamaları gibi uygulamalar üzerinde çalışmalarını yoğunlaştırmıştır. Bu çalışmada IEEE 802.15.4a bünyesindeki çeşitli ultra geniş bant kanal modellerinin kestirimi üzerine odaklanılmıştır. Düşük iletim gücü, düşük maliyetli basit yapı, düz sönümlemeye karşı bağışıklık ve çokyollu bileşenleri iyi bir zaman çözünürlüğüyle ayrı ayrı çözme yeteneği gibi ayırt edici özelliklere sahip olması dolayısıyla ultra geniş bant dürtü radyoları, konumlama, uzaklık belirleme ve düşük veri hızlı uygulamalar için belirlenen kablosuz kişisel alan ağı IEEE 802.15.4a standardının fiziksel katman yapısı olarak seçilmiştir. Ultra geniş bant dürtü radyolarının gerçekleştiriminde karşılaşılan temel zorluklardan biri de kanal kestirimidir. Kanal karakteristikleri hakkında doğru bir bilgiye sahip olmak, haberleşme açısından etkin bir veri iletimi gerçekleştirmek ve sistem performansını artırmak için oldukça önemlidir. Bu nedenle kanal dürtü yanıtı hakkında bilgi edinmek için kanal kestirimi gereklidir. Ultra geniş bant dürtü radyolarının bantgenişliğinin çok fazla olması dolayısıyla, kanal kestiriminde klasik en büyük olabilirlik kestirimcisinin kullanılmasının başlıca dezavantajı, hassas bir kanal kestirimi için Nyquist kriterine göre alıcıdaki örnekleme işleminde çok yüksek örnekleme oranlarına, bir başka ifadeyle çok yüksek hızlı analog-sayısal dönüştürücülere ihtiyaç duyulmasıdır. Bu durum alıcıda devre karmaşıklığının ve maliyetin artmasına neden olur. Yüksek örnekleme oranı gerektiren bu ultra geniş bant kanal kestirimi probleminin üstesinden gelmek için sıkıştırılmış algılama kullanılabilir. Sıkıştırılmış algılama yöntemi, Nyquist oranından önemli ölçüde daha düşük bir örnekleme oranıyla seyrek sinyallerin geri elde edilmesini mümkün kılmaktadır. Seyrek sinyal ifadesi en basit anlamda, bir çok bileşeni sıfır veya sıfıra yakın olan bir başka ifadeyle çok az bileşeni sıfırdan farklı olan sinyaller için kullanılan bir ifadedir. Alıcıda ard arda alınan ultra geniş bant sinyaller kayda değer bir zaman gecikmesiyle alıcıya ulaştığı ve alıcıda ayrı ayrı çözülebildiği için ultra geniş bant çokyollu kanallar için seyrek yapıya sahip olma varsayımı yaygın kabul görmüştür. Ultra geniş bant kanalların bu özelliği nedeniyle sıkıştırılmış algılama yöntemi, yüksek örnekleme oranı probleminin üstesinden gelmek için ultra geniş bant kanal kestiriminde kullanılabilir. Böylece sıkıştırılmış algılama ile alıcının yüksek maliyeti, karmaşıklığı ve güç tüketimi azaltılarak daha basit yapıda bir alıcı, ultra geniş bant sistemde kullanılabilir. Sıkıştırılmış algılama literatüründe, aynı zamanda basis pursuit (BP) olarak da bilinen ℓ1-norm enküçültme ve matching pursuit (MP) olmak üzere seyrek sinyal geri elde ediniminde kullanılan 2 temel algoritma vardır. Literatürde aynı zamanda bu algoritmaların basis pursuit de-noising (BPDN), orthogonal matching pursuit (OMP), stagewise orthogonal matching pursuit (StOMP) ve compressive sampling matching pursuit (CoSaMP) gibi çeşitli türevleri de bulunmaktadır. Son yıllarda Bayes yapının sıkıştırılmış algılama teorisine uygulanmasıyla birlikte, Bayes tabanlı çeşitli sıkıştırılmış algılama algoritmaları, sıkıştırılmış algılama literatürünün bir parçası olmaya başlamıştır. Bu tezde kullanılacak olan Bayes sıkıştırılmış algılama algoritması da bunlardan biridir. Sıkıştırılmış algılamanın bu çeşitli gerçekleştimlerinin arasında Bayes yapının katkısı, ilgili sinyalin istatistiksel özellikleri de göz önünde bulundurulduğundan sinyal geri elde ediniminin iyileştirilmesi açısından önemli bir potansiyel göstermiştir. Bu doğrultuda, Bayes sıkıştırılmış algılama yaklaşımının seyrek ultra geniş bant kanalların kestirimine uygulanması bu çalışma ile gerçekleştirilmiştir. Bu tezde gerçeğe uygun çeşitli ultra geniş bant kanal modelleri için Bayes sıkıştırılmış algılamanın kanal kestirim performansı incelenmiştir. Özellikle Bayes sıkıştırılmış algılama modelini doğrudan etkilediği için analiz açısından önemli olan (i) standartlaştırılmış IEEE 802.15.4a kanal modellerinin seyrek yapılarının, (ii) işaret-gürültü oranı seviyelerinin ve (iii) ölçüm sayısının çeşitli senaryolar için Bayes sıkıştırılmış algılama kanal kestirim performansı üzerindeki etkileri araştırılmış ve bu sonuçlar seyrek sinyal kestirimi için yaygın olarak kullanılan ℓ1-norm enküçültme tabanlı kestirim sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sıkıştırılmış algılama tabanlı ultra geniş bant kanal kestiriminde önemli rol oynayan ultra geniş bant kanalların seyrek yapıya sahip olma varsayımı, kanal ortamları incelenerek doğrulanmalıdır. Bu nedenle tezde, çeşitli kanal ortamlarını modelleyerek oluşturulmuş ve ultra geniş bant araştırma çalışmalarında yaygın olarak kullanılan IEEE 802.15.4a standardı bünyesindeki kanal modeli-1, kanal modeli-2, kanal modeli-5 ve kanal modeli-8 olmak üzere 4 farklı kanal modeli göz önünde bulundurulmuştur. Kısaca bu kanal modellerinin belirgin karakteristikleri özetlenecek olursa: Kanal modeli-1, alıcı verici arasında doğrudan görüşün (LOS) olduğu konut içi ortamı temsil eden ve IEEE 802.15.4a standardı bünyesindeki en seyrek yapıya sahip olan kanal modelidir. Kanal modeli-2, alıcı verici arasında doğrudan görüşün olmadığı (NLOS) konut içi ortamı temsil eden kanal modelidir. Kanal modeli-2 de kanal modeli-1 gibi seyrek yapıya sahiptir fakat kanal modeli-1’e kıyasla daha fazla çokyollu bileşene sahiptir. Kanal modeli-1 ve kanal modeli-2’nin temsil ettikleri ortam, kısa mesafedeki güvenlik ve ölçüm sensörlerinin bulunduğu ev ağları için oldukça önemlidir. Kanal modeli-5, alıcı verici arasında doğrudan görüşün olduğu kapalı olmayan (açık alan) ortamı temsil eden kanal modelidir. Kanal modeli-1 ve kanal modeli-2’ye gore oldukça düşük seyrekliğe sahiptir. Bu kanal modelinde çokyollu bileşenler genellikle birkaç küme halindedir. Kanal modeli-8, alıcı verici arasında doğrudan görüşün olmadığı endüstriyel ortamı temsil eden kanal modelidir. Ortam birçok metal yansıtıcılarla dolu geniş fabrika holleri tarafından karakterize edilir. Böylesi bir ortam çok yoğun şekilde çokyollu bileşenlerin oluşmasına neden olur. Bu sebeple kanal modeli-8, seyrek kanal modeli olarak tanımlanamaz. Dolayısıyla bu 4 kanal modeli içinde en az seyrek yapıya sahip kanal modelidir. Kestirim problemleri analizinde, olabilecek en iyi kestirimci hata performansını belirlemek, performans analizi için önemlidir. Performans alt sınırları da bu en iyi kestirimcinin hata performansını gösterdiği için gerçeklenen kestirimcinin hata performansının değerlendirilmesi açısından önemli bir değerlendirme ölçütüdür. Cramér-Rao alt sınırı yanlı olmayan (unbiased) kestirimciler için yaygın olarak kullanılan bir performans sınırıdır. Gerçekte Cramér-Rao alt sınırı, yanlı olmayan kestirimcilerin toplam varyansı üzerindeki bir alt sınırdır. Bununla birlikte yanlı olmayan kestirimciler için ortalama karesel hata varyansa eşit olduğu için, Cramér-Rao alt sınırı aynı zamanda kestirim hatası üzerindeki bir alt sınırdır. Ancak, bu çalışmada ultra geniş bant kanal kestirimi için önerilen Bayes sıkıştırılmış algılama kestirimcisi, Bayes bir kestirimci olmasının yanı sıra aynı zamanda yanlı (biased) bir kestirimcidir. Dolayısıyla kestirim hatası üzerinde değerlendirme ölçütü olarak bir performans alt sınırı belirlemek, Bayes sıkıştırılmış algılama kestirimcisinin performans analizi açısından önemlidir. Literatürde var olan sonsal (Posterior) Cramér-Rao alt sınırı veya Bayes Cramér-Rao alt sınırı, yanlı olmayan Bayes kestirimcilerin kestirim hatası değil de varyansları üzerindeki bir alt sınırdır. Cramér-Rao alt sınırına ek olarak sonsal Cramér-Rao alt sınırı için Bayes yapıdan dolayı kestirilecek parametre vektörüne ilişkin önsel (prior) olasılık dağılımı da göz önünde bulundurulur. Bu nedenle, bu çalışmada doğrusal yanlılık vektörlerine sahip yanlı Bayes kestirimciler için parameter vektörüne ilişkin önsel olasılık dağılımına ek olarak yanlılık terimi de göz önünde bulundurularak ortalama karesel hata üzerinde bir alt sınır sağlanmış ve bu ortalama karesel hata alt sınırı, gerçeklenen Bayes sıkıştırılmış algılama kestirimcisinin kanal kestirim performansıyla karşılaştırılmıştır. Dahası Bayes sıkıştırılmış algılama ve ℓ1-norm enküçültme yöntemlerinin işlemsel verimliliği büyük-O notasyonundan faydalanılarak işlem sürelerine göre incelenmiştir. Çalışma sonucunda, Bayes sıkıştırılmış algılamanın yüksek işaret-gürültü oranı seviyelerinde yeterli sayıda ölçüm ve seyrek kanal modelleri (kanal modeli-1 ve kanal modeli-2) için ℓ1-norm enküçültme yöntemine kıyasla üstün bir performans sergilediği görülmüştür. Ayrıca ℓ1-norm enküçültme yöntemiyle karşılaştırıldığında, Bayes sıkıştırılmış algılama yönteminin işlemsel olarak daha verimli olduğu sonucu çıkarılmıştır. Bu tezin sonuçları göz önünde bulundurulduğunda, farklı sistem gerçekleştirim durumları için Bayes sıkıştırılmış algılama yöntemi veya ℓ1-norm enküçültme yöntemi diğerinin yerine tercih edilebilir.Ultra-Wideband (UWB) impulse radio (IR) is an emerging technology for wireless communications. Owing to distinguishing properties such as having low transmit power, low-cost simple structure, immunity to flat fading and capability of resolving multipath components individually with good time resolution, UWB-IRs have been selected as the physical layer structure of Wireless Personal Area Network (WPAN) standard IEEE 802.15.4a for location and ranging, and low data rate applications. In the implementation of UWB-IRs, one of the main challenges is the channel estimation. Due to ultra-wide bandwidth of UWB-IRs, the main disadvantage of implementing the conventional maximum likelihood (ML) channel estimator is that very high sampling rates, i.e., very high speed analog-to-digital (A/D) converters are required for precise channel estimation. Reconstruction of sparse signals with a sampling rate significantly lower than Nyquist rate is possible with compressive sensing (CS). Due to the sparse structure of UWB channels, compressive sensing can be used for UWB channel estimation in order to overcome the high-rate sampling problem. Among various implementations of CS, the inclusion of Bayesian framework has shown potential to improve signal recovery as statistical information related to signal parameters is considered. Accordingly, the application of Bayesian CS (BCS) approach to the estimation of sparse UWB channels is considered in this study. In this thesis, the channel estimation performance of BCS is studied for various UWB channel models and noise conditions. Specifically, the effects of (i) sparse structure of standardized IEEE 802.15.4a channel models, (ii) signal-to-noise ratio (SNR) regions, and (iii) number of measurements on the BCS channel estimation performance are investigated, and they are compared to the results of ℓ1-norm minimization based estimation, which is widely used for sparse channel estimation. Furthermore, a lower bound on mean-square error (MSE) is provided for the biased BCS estimator and it is compared with the MSE performance of implemented BCS estimator. Moreover, the computation efficiencies of BCS and ℓ1-norm minimization are investigated in terms of computation time by making use of the big-O notation. The study shows that BCS exhibits superior performance at higher SNR regions for adequate number of measurements and sparser channel models (e.g., CM-1 and CM-2). Furthermore, BCS is found to be computationally more efficient compared to ℓ1-norm minimization. Based on the results of this thesis, the BCS method or the ℓ1-norm minimization method can be preferred over the other one for different system implementation conditions.Yüksek LisansM.Sc

Cross-Layer Design for Multi-Antenna Ultra-Wideband Systems

Ultra-wideband (UWB) is an emerging technology that offers great promises to satisfy the growing demand for low cost and high-speed digital wireless home networks. The enormous bandwidth available, the potential for high data rates, as well as the potential for small size and low processing power long with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future wireless home-networking technology. Nevertheless, in order for UWB devices to coexist with other existing wireless technology, the transmitted power level of UWB is strictly limited by the FCC spectral mask. Such limitation poses significant design challenges to any UWB system. This thesis introduces various means to cope with these design challenges. Advanced technologies including multiple-input multiple-output (MIMO) coding, cooperative communications, and cross-layer design are employed to enhance the performance and coverage range of UWB systems. First a MIMO-coding framework for multi-antenna UWB communication systems is developed. By a technique of band hopping in combination with jointly coding across spatial, temporal, and frequency domains, the proposed scheme is able to exploit all the available spatial and frequency diversity, richly inherent in UWB channels. Then, the UWB performance in realistic UWB channel environments is characterized. The proposed performance analysis successfully captures the unique multipath-rich property and random-clustering phenomenon of UWB channels. Next, a cross-layer channel allocation scheme for UWB multiband OFDM systems is proposed. The proposed scheme optimally allocates subbands, transmitted power, and data rates among users by taking into consideration the performance requirement, the power limitation, as well as the band hopping for users with different data rates. Also, an employment of cooperative communications in UWB systems is proposed to enhance the UWB performance and coverage by exploiting the broadcasting nature of wireless channels and the cooperation among UWB devices. Furthermore, an OFDM cooperative protocol is developed and then applied to enhance the performance of UWB systems. The proposed cooperative protocol not only achieves full diversity but also efficiently utilizes the available bandwidth