Efficient channel estimation using TCH codes

In this paper, we consider the use of TCH codes to perform channel estimation in an OFDM system, using either data multiplexed pilots or superimposed pilots over the data. TCH codes possess several properties that allow us to use them efficiently in various applications which includes channel estimation, as we address in this paper. With this objective, several performance results were obtained through simulations which allowed the evaluation of the impact of different pilot power levels and modulations, as well as the comparison of TCH against other conventional pilots. In order to cope with the interference between pilots and data, an iterative receiver with interference suppression was employed for the superimposed pilots method.info:eu-repo/semantics/acceptedVersio

Channel estimation with TCH codes for machine-type communications

TCH codes possess several properties that allow us to use them efficiently in various applications. One of these applications is channel estimation and, in this dissertation, it is studied the performance of TCH codes to estimate the channel in an Orthogonal Frequency Division Multiplexing system, regarding Machine-Type Communications. Bit error rate performance results were obtained by executing simulations that allowed the evaluation of the impact of using two different pilot techniques, such as data multiplexed and implicit pilots, different pilot power levels and different modulations, QPSK and 64-QAM. Pilots based on TCH codes are also compared with other conventional pilots. Results show that TCH codes have a very positive and reliable performance. Joint timing synchronization and channel estimation is also performed using different sparse based approaches, such as Orthogonal Matching Pursuit, L1- regularized and Iterative Reweighted L1. TCH codes are compared against different sequence types, namely Zadoff-Chu sequences and pseudorandom codewords, and variations in the pilot size, the channel length and the observation window size are executed in order to understand their effects. Results ultimately illustrate that TCH codes can be effectively used in joint channel estimation and synchronization, managing to withstand worst simulation conditions better than its counterparts. It is also proven that compressed sensing can successfully be utilized in joint synchronization and channel estimation, an area where its use has not been very explored.Os códigos TCH possuem várias propriedades que nos permitem usá-los eficientemente em diversas aplicações. Uma delas é a estimação de canal e nesta dissertação é estudado o desempenho dos códigos TCH em estimação de canal num sistema OFDM, tendo em conta as comunicações Machine-Type. Resultados que ilustram a taxa de erro de bit foram obtidos através de simulações que permitem avaliar o impacto de usar diferentes técnicas de pilotos, nomeadamente multiplexados e implícitos, diferentes valores de potência para os pilotos e diferentes modulações, QPSK e 64-QAM. Também é feita a comparação entre os pilotos TCH e pilotos convencionais. Os resultados mostram que os pilotos TCH tem um desempenho muito positivo e confiável, dentro dos parâmetros testados. Também é efetuado o estudo de sincronização e estimação de canal conjunta usando métodos esparsos como o OMP, o L1-regularized e o Iterative Reweighted L1. Os códigos TCH são comparados com outros tipos de sequências, tais como as sequências Zadoff-Chu e os códigos pseudo-aleatórios. São consideradas variações no tamanho dos pilotos, no comprimento do canal e no tamanho da janela de observação para perceber quais são os seus efeitos no desempenho. Os resultados demonstram que os códigos TCH podem ser utilizados com sucesso em estimação de canal e sincronização conjunta e conseguem aguentar condições adversas de simulação melhor que os outros pilotos utilizados. Também é provado que compressed sensing pode ser utilizado com sucesso em sincronização e estimação conjunta, que é uma área onde o seu uso ainda não foi explorado aprofundadamente

Study and implementation of a low complexity receiver using TCH codes

The use of coding in telecommunications systems reveals to be a technique with an essential contribution to the improvement of the recovery of transmitted signals. Depending on the circumstances to which a signal is subjected at transmission, by recurring to coding, it is possible to attenuate the unfavorable effects that result from this process, obtaining a signal with superior quality in comparison with a scenario where the presence of coding is absent. This study aims to test the feasibility of a high-rate wireless communications system using TCH codes being applied to an OFDM signal, subjected to noise components introduced by a wireless AWGN channel, considering a free path propagation model. Due to their correlation properties, the use of TCH codes reveals to be adequate since they allow the same codewords to be used to realize both error correction and channel estimation, mitigating the channels effects, leading to the realization of a receiver with lower complexity. With the intent of performing a qualitative analysis to this system, a simple simulation is executed in MATLAB where an OFDM signal is generated, being therefore applied various TCH codes and, through channel estimation, obtain the BER for their respective code lengths and, consequently, coding gains. The results were obtained for the modulation indexes of 16, 64 and 256-QAM. These demonstrate that the implementation of TCH codes is a viable option to reduce the rate of recovered errors, enabling the reception of a signal with better reliability, especially for higher code lengths and modulation indexes.O uso de codificação em sistemas de telecomunicações revela-se uma técnica com um contributo essencial na melhoria da recuperação de sinais transmitidos. Dependendo das circunstâncias às quais um sinal é submetido aquando a sua transmissão, com recurso à codificação, é possível atenuar os efeitos adversos resultantes deste processo, obtendo uma qualidade no sinal recebido superior face a um cenário com ausência da mesma. Este estudo tem como objetivo testar a exequibilidade de um sistema de comunicações sem fios para alto débito usando códigos TCH e aplicando-os a um sinal OFDM, sujeito a componentes de ruído introduzidos por um canal sem fios AWGN, considerando um modelo de propagação em espaço livre. Devido às propriedades de correlação destes códigos, a sua utilização revela-se adequada pois permite que as mesmas palavras de código sejam utilizadas para efetuar correção de erros, minimizando os efeitos do canal, possibilitando o desenvolvimento de um recetor com menor complexidade. Visando efetuar uma análise qualitativa do sistema, é realizada uma simulação simples em MATLAB onde é gerado um sinal OFDM ao qual são aplicados diversos códigos TCH, realizando estimação de canal com a finalidade de obter o BER para os diferentes comprimentos dos códigos e, consequentemente, ganhos de codificação relativos aos mesmos. Os resultados obtidos foram realizados para os índices de modulação 16, 64 e 256-QAM. Estes demonstram que o uso destes códigos é uma opção viável para reduzir os erros detetados, permitindo recuperar o sinal com maior fiabilidade, especialmente para comprimentos de código e índices de modulação elevados

Design of tch-type sequences for communications

This thesis deals with the design of a class of cyclic codes inspired by TCH codewords. Since TCH codes are linked to finite fields the fundamental concepts and facts about abstract algebra, namely group theory and number theory, constitute the first part of the thesis. By exploring group geometric properties and identifying an equivalence between some operations on codes and the symmetries of the dihedral group we were able to simplify the generation of codewords thus saving on the necessary number of computations. Moreover, we also presented an algebraic method to obtain binary generalized TCH codewords of length N = 2k, k = 1,2, . . . , 16. By exploring Zech logarithm’s properties as well as a group theoretic isomorphism we developed a method that is both faster and less complex than what was proposed before. In addition, it is valid for all relevant cases relating the codeword length N and not only those resulting from N = p

Low-complexity channel codes for reliable molecular communication via diffusion

It is envisioned that healthcare systems of the future will be revolutionized with the development and integration of body-centric networks into future generations of communication systems, giving rise to the so-called “Internet of Bio-nano things”. Molecular communications (MC) emerge as the most promising way of transmitting information for in-body communications. One of the biggest challenges is how to minimize the effects of environmental noise and reduce the inter-symbol interference (ISI) which in an MC via diffusion scenario can be very high. To address this problem, channel coding is one of the most promising techniques. In this paper, we study the effects of different channel codes integrated into MC systems. We provide a study of Tomlinson, Cercas, Hughes (TCH) codes as a new attractive approach for the MC environment due to the codeword properties which enable simplified detection. Simulation results show that TCH codes are more effective for these scenarios when compared to other existing alternatives, without introducing too much complexity or processing power into the system. Furthermore, an experimental proof-of-concept macroscale test bed is described, which uses pH as the information carrier, and which demonstrates that the proposed TCH codes can improve the reliability in this type of communication channel.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Molecular communications techniques for the internet of bio-nano things

The ”Internet of Bio-Nano Things” (IoBNT) is a new networking paradigm defined as the interconnection of nanoscale devices. IoBNT is a revolutionizing concept that will likely enable a wide range of applications, in particular, it is envisioned that healthcare systems will be transformed with the development and integration of body-centric networks into future generations of communication systems. Within this context, molecular communications (MC) emerge as the most promising way of transmitting information for in-body communications, due to being inherently biocompatible, energy-efficient, and robust in physiological conditions. One of the biggest challenges is how to minimize the effects of environmental noise and reduce intersymbol interference (ISI) which can be very high in an MC via diffusion scenario. Analogous to traditional communications, channel coding is one of the most promising types of techniques for addressing this problem. This work is based on the study and evaluation of novel energy efficient and low complexity coding, modulation and detection schemes for MC. With a special focus on the implementation of Tomlinson, Cercas, Hughes (TCH) codes as a new attractive approach for the MC environment, due to the particular codeword properties which enable simplified detection. Simulation results show that TCH codes are more effective for these scenarios when compared to other existing alternatives, without introducing too much complexity or processing power into the system. Furthermore, an experimental macroscale proof-of-concept is described, which uses pH as the information carrier and demonstrates that the proposed TCH codes can improve the reliability in this type of communication channel.A ”Internet das Coisas” Bio-Nano é um novo paradigma de rede definido como a interconexão de dispositivos nano escala. Este é um conceito revolucionário que espectavelmente permitirá uma vasta gama de aplicações. Em particular, prevê-se que os sistemas de saúde sejam transformados com a integração de redes centradas no corpo, em futuras gerações de sistemas de comunicação. Neste contexto, as comunicações moleculares (CM) emergem como a forma mais promissora de transmitir informação, devido ao facto de serem intrinsecamente biocompatíveis, eficientes em termos energéticos e robustos em condições fisiológicas. Um dos maiores desafios é como minimizar os efeitos do ruído ambiental e reduzir a interferência intersimbólica que pode ser muito elevada num cenário de CM por difusão. A codificação de canal é um dos tipos de técnicas mais promissoras para abordar este problema. Este trabalho baseia-se na avaliação da modulação, da deteção e de novos esquemas de codificação energeticamente eficientes e de baixa complexidade aplicados em CM. Com especial foco, na implementação de códigos Tomlinson, Cercas, Hughes (TCH) como uma nova abordagem para um ambiente de CM, devido às suas particulares propriedades das palavras de código, que permitem uma deteção simplificada. Os resultados das simulações mostram que os códigos TCH são mais eficazes para estes cenários quando comparados com outras alternativas existentes, sem introduzir demasiada complexidade ou poder de processamento no sistema. Adicionalmente, é descrita uma experiência macroscópica, que utiliza o pH como portador de informação, demonstrando que os códigos TCH propostos podem melhorar a fiabilidade para CM