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Energy Detection based Blind Synchronization for Pulse Shape Modulated IR-UWB Systems
International audienceSynchronization is a key performance-limiting factor in any communication system and a challenging task to accomplish. In this paper, an energy detection based non dataaided (NDA) algorithm for orthogonal pulse shape modulated (PSM) impulse radio ultra wideband (IR-UWB) system is proposed. Relying on unique signal structure, simple overlap-add operation followed by energy detection enables synchronization. The algorithm remains functional under practical scenarios i.e. in the presence of inter-frame and inter-symbol interference (IFI & ISI) and with M-ary modulation. Simulation results are provided to demonstrate the performance of proposed algorithm
UWB communication systems acquisition at symbol rate sampling for IEEE standard channel models
For ultra-wideband (UWB) communications, acquisition is challenging. The reason is from the ultra short pulse shape and ultra dense multipath interference. Ultra short pulse indicates the acquisition region is very narrow. Sampling is another challenge for UWB design due to the need for ultra high speed analog-to digital converter.A sub-optimum and under-sampling scheme using pilot codes as transmitted reference is proposed here for acquisition. The sampling rate for the receiver is at the symbol rate. A new architecture, the reference aided matched filter is studied in this project. The reference aided matched filter method avoids using complex rake receiver to estimate channel parameters and high sampling rate for interpolation. A limited number of matched filters are used as a filter bank to search for the strongest path. Timing offset for acquisition is then estimated and passed to an advanced verification algorithm. For optimum performance of acquisition, the adaptive post detection integration is proposed to solve the problem from dense inter-symbol interference during the acquisition. A low-complex early-late gate tracking loop is one element of the adaptive post detection integration. This tracking scheme assists in improving acquisition accuracy. The proposed scheme is evaluated using Matlab Simulink simulations in term of mean acquisition time, system performance and false alarm. Simulation results show proposed algorithm is very effective in ultra dense multipath channels. This research proves reference aided acquisition with tracking loop is promising in UWB application
Contribution Ă la conception d'un systĂšme de radio impulsionnelle ultra large bande intelligent
Faced with an ever increasing demand of high data-rates and improved adaptability among existing systems, which inturn is resulting in spectrum scarcity, the development of new radio solutions becomes mandatory in order to answer the requirements of these emergent applications. Among the recent innovations in the field of wireless communications,ultra wideband (UWB) has generated significant interest. Impulse based UWB (IR-UWB) is one attractive way of realizing UWB systems, which is characterized by the transmission of sub nanoseconds UWB pulses, occupying a band width up to 7.5 GHz with extremely low power density. This large band width results in several captivating features such as low-complexity low-cost transceiver, ability to overlay existing narrowband systems, ample multipath diversity, and precise ranging at centimeter level due to extremely fine temporal resolution.In this PhD dissertation, we investigate some of the key elements in the realization of an intelligent time-hopping based IR-UWB system. Due to striking resemblance of IR-UWB inherent features with cognitive radio (CR) requirements, acognitive UWB based system is first studied. A CR in its simplest form can be described as a radio, which is aware ofits surroundings and adapts intelligently. As sensing the environment for the availability of resources and then consequently adapting radioâs internal parameters to exploit them opportunistically constitute the major blocks of any CR, we first focus on robust spectrum sensing algorithms and the design of adaptive UWB waveforms for realizing a cognitive UWB radio. The spectrum sensing module needs to function with minimum a-priori knowledge available about the operating characteristics and detect the primary users as quickly as possible. Keeping this in mind, we develop several spectrum sensing algorithms invoking recent results on the random matrix theory, which can provide efficient performance with a few number of samples. Next, we design the UWB waveform using a linear combination of Bsp lines with weight coefficients being optimized by genetic algorithms. This results in a UWB waveform that is spectrally efficient and at the same time adaptable to incorporate the cognitive radio requirements. In the 2nd part of this thesis, some research challenges related to signal processing in UWB systems, namely synchronization and dense multipath channel estimation are addressed. Several low-complexity non-data-aided (NDA) synchronization algorithms are proposed for BPSK and PSM modulations, exploiting either the orthogonality of UWB waveforms or theinherent cyclostationarity of IR-UWB signaling. Finally, we look into the channel estimation problem in UWB, whichis very demanding due to particular nature of UWB channels and at the same time very critical for the coherent Rake receivers. A method based on a joint maximum-likelihood (ML) and orthogonal subspace (OS) approaches is proposed which exhibits improved performance than both of these methods individually.Face Ă une demande sans cesse croissante de haut dĂ©bit et dâadaptabilitĂ© des systĂšmes existants, qui Ă son tour se traduit par lâencombrement du spectre, le dĂ©veloppement de nouvelles solutions dans le domaine des communications sans fil devient nĂ©cessaire afin de rĂ©pondre aux exigences des applications Ă©mergentes. Parmi les innovations rĂ©centes dans ce domaine, lâultra large bande (UWB) a suscitĂ© un vif intĂ©rĂȘt. La radio impulsionnelle UWB (IR-UWB), qui est une solution intĂ©ressante pour rĂ©aliser des systĂšmes UWB, est caractĂ©risĂ©e par la transmission des impulsions de trĂšs courte durĂ©e, occupant une largeur de bande allant jusquâĂ 7,5 GHz, avec une densitĂ© spectrale de puissance extrĂȘmement faible. Cette largeur de bande importante permet de rĂ©aliser plusieurs fonctionnalitĂ©s intĂ©ressantes, telles que lâimplĂ©mentation Ă faible complexitĂ© et Ă coĂ»t rĂ©duit, la possibilitĂ© de se superposer aux systĂšmes Ă bande Ă©troite, la diversitĂ© spatiale et la localisation trĂšs prĂ©cise de lâordre centimĂ©trique, en raison de la rĂ©solution temporelle trĂšs fine.Dans cette thĂšse, nous examinons certains Ă©lĂ©ments clĂ©s dans la rĂ©alisation d'un systĂšme IR-UWB intelligent. Nous avons tout dâabord proposĂ© le concept de radio UWB cognitive Ă partir des similaritĂ©s existantes entre l'IR-UWB et la radio cognitive. Dans sa dĂ©finition la plus simple, un tel systĂšme est conscient de son environnement et s'y adapte intelligemment. Ainsi, nous avons tout dâabord focalisĂ© notre recherchĂ© sur lâanalyse de la disponibilitĂ© des ressources spectrales (spectrum sensing) et la conception dâune forme dâonde UWB adaptative, considĂ©rĂ©es comme deux Ă©tapes importantes dans la rĂ©alisation d'une radio cognitive UWB. Les algorithmes de spectrum sensing devraient fonctionner avec un minimum de connaissances a priori et dĂ©tecter rapidement les utilisateurs primaires. Nous avons donc dĂ©veloppĂ© de tels algorithmes utilisant des rĂ©sultats rĂ©cents sur la thĂ©orie des matrices alĂ©atoires, qui sont capables de fournir de bonnes performances, avec un petit nombre d'Ă©chantillons. Ensuite, nous avons proposĂ© une mĂ©thode de conception de la forme d'onde UWB, vue comme une superposition de fonctions B-splines, dont les coefficients de pondĂ©ration sont optimisĂ©s par des algorithmes gĂ©nĂ©tiques. Il en rĂ©sulte une forme d'onde UWB qui est spectralement efficace et peut sâadapter pour intĂ©grer les contraintes liĂ©es Ă la radio cognitive. Dans la 2Ăšme partie de cette thĂšse, nous nous sommes attaquĂ©s Ă deux autres problĂ©matiques importantes pour le fonctionnement des systĂšmes UWB, Ă savoir la synchronisation et lâestimation du canal UWB, qui est trĂšs dense en trajets multiples. Ainsi, nous avons proposĂ© plusieurs algorithmes de synchronisation, de faible complexitĂ© et sans sĂ©quence dâapprentissage, pour les modulations BPSK et PSM, en exploitant l'orthogonalitĂ© des formes d'onde UWB ou la cyclostationnaritĂ© inhĂ©rente Ă la signalisation IR-UWB. Enfin, nous avons travaillĂ© sur l'estimation du canal UWB, qui est un Ă©lĂ©ment critique pour les rĂ©cepteurs Rake cohĂ©rents. Ainsi, nous avons proposĂ© une mĂ©thode dâestimation du canal basĂ©e sur une combinaison de deux approches complĂ©mentaires, le maximum de vraisemblance et la dĂ©composition en sous-espaces orthogonaux,dâamĂ©liorer globalement les performances
Ultra Wideband Communications: from Analog to Digital
ï»żUltrabreitband-Signale (Ultra Wideband [UWB]) können einen
signifikanten Nutzen im Bereich drahtloser Kommunikationssysteme haben. Es
sind jedoch noch einige Probleme offen, die durch Systemdesigner und
Wissenschaftler gelöst werden mĂŒssen. Ein Funknetzsystem mit einer derart
groĂen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine groĂe Anzahl an
Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden
gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie
effektiv zu erfassen. AuĂerdem ist in vielen FĂ€llen der naheliegende
Ansatz, ein kohÀrenter EmpfÀnger im Sinne eines signalangepassten Filters
oder eines Korrelators, nicht unbedingt die beste Wahl. In der vorliegenden
Arbeit wird dabei auf die bestehende Problematik und weitere
Lösungsmöglichkeiten eingegangen.
Im ersten Abschnitt geht es um âImpulse Radio UWBâ-Systeme mit
niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohÀrenter EmpfÀnger
zum Einsatz. InkohÀrente Signaldetektion stellt insofern einen
vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgĂŒnstige und robuste
Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in AnwendungsfÀllen
wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte GerÀte mit langer
Batterielaufzeit nötigsind. Dies verringert den fĂŒr die KanalschĂ€tzung
und die Synchronisation nötigen Aufwand, was jedoch auf Kosten der
Leistungseffizienz geht und eine erhöhte Störempfindlichkeit gegenĂŒber
Interferenz (z.B. Interferenz durch mehrere Nutzer oder schmalbandige
Interferenz) zur Folge hat.
Um die Bitfehlerrate der oben genannten Verfahren zu bestimmen, wurde
zunÀchst ein inkohÀrenter Combining-Verlust spezifiziert, welcher
auftritt im Gegensatz zu kohÀrenter Detektion mit Maximum Ratio Multipath
Combining. Dieser Verlust hÀngt von dem Produkt aus der LÀnge des
Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab.
Um den Verlust durch inkohÀrentes Combining zu reduzieren und somit die
Leistungseffizienz des EmpfÀngers zu steigern, werden verbesserte
Combining-Methoden fĂŒr Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger
EmpfÀnger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen
âIntegrate and Dumpâ-Filter implementiert ist, wird fĂŒr UWB-Systeme
mit Zeit-Hopping gezeigt. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von dĂŒnn
besetzten Codes in solchen System diskutiert und bewertet. Des Weiteren
wird eine Regel fĂŒr die Code-Auswahl vorgestellt, welche die StabilitĂ€t
des Systems gegen Mehrnutzer-Störungen sicherstellt und gleichzeitig den
Verlust durch inkohÀrentes Combining verringert.
Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohÀrenter
Demodulation. Im Vergleich zum AnalogempfÀnger besitzt ein
DigitalempfÀnger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von
einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den
Mehrfachzugriffscode kohÀrent und beschrÀnkt das inkohÀrente Combining
auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein
schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um
einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewÀhrleisten. Diese Digitaltechnik
macht den Einsatz langer Analogverzögerungen bei differentieller
Demodulation unnötig und ermöglicht viele Arten der digitalen
Signalverarbeitung. Im Vergleich zur Analogtechnik reduziert sie nicht nur
den inkohÀrenten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stÀrkere
Resistenz gegenĂŒber Störungen. Dabei werden die Auswirkungen der
Auflösung und der Abtastrate der Analog-Digital-Umsetzung analysiert. Die
Resultate zeigen, dass die verminderte Effizienz solcher
Analog-Digital-Wandler gering ausfÀllt. Weiterhin zeigt sich, dass im
Falle starker Mehrnutzerinterferenz sogar eine Verbesserung der Ergebnisse
zu beobachten ist. Die vorgeschlagenen Design-Regeln spezifizieren die
Anwendung der Analog-Digital-Wandler und die Auswahl der Systemparameter in
AbhÀngigkeit der verwendeten Mehrfachzugriffscodes und der Modulationsart.
Wir zeigen, wie unter Anwendung erweiterter Modulationsverfahren die
Leistungseffizienz verbessert werden kann und schlagen ein Verfahren zur
UnterdrĂŒckung schmalbandiger Störer vor, welches auf Soft Limiting
aufbaut. Durch die Untersuchungen und Ergebnissen zeigt sich, dass
inkohÀrente EmpfÀnger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger
Datenrate ein groĂes Potential aufweisen.
AuĂerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen
Kompromiss zwischen inkohÀrentem Combining-Verlust und StabilitÀt
gegenĂŒber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept
fĂŒr UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohĂ€rente oder inkohĂ€rente
EmpfÀnger, welche als UWB-Systeme Frequenz-Hopping nutzen. Der wesentliche
Vorteil hiervon liegt darin, dass die Bandbreite im Basisband sich deutlich
verringert. Mithin ermöglicht dies einfach zu realisierende digitale
Signalverarbeitungstechnik mit kostengĂŒnstigen Analog-Digital-Wandlern.
Dies stellt eine neue Epoche in der Forschung im Bereich drahtloser
Sensorfunknetze dar.
Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts stellt adaptiven Signalverarbeitung
fĂŒr hohe Datenraten mit âDirect Sequenceâ-UWB-Systemen in den
Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der groĂen Anzahl der
empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw.
Intrasymbolinterferenzen. AuĂerdem kann die FunktionalitĂ€t des Systems
durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst
werden. Um sie zu eliminieren, wird die âWidely Linearâ-Rangreduzierung
benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das
Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr groĂe
Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate).
ZusÀtzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung
die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollstÀndig
ausnutzen, was sich in verbesserten SchÀtzergebnissen widerspiegelt.
Allgemeine kann die Methode der âWidely Linearâ-Rangreduzierung auch in
andern Bereichen angewendet werden, z.B. in âDirect
Sequenceâ-Codemultiplexverfahren (DS-CDMA), im MIMO-Bereich, im Global
System for Mobile Communications (GSM) und beim Beamforming.The aim of this thesis is to investigate key issues encountered in the
design of transmission schemes and receiving techniques for Ultra Wideband
(UWB) communication systems. Based on different data rate applications,
this work is divided into two parts, where energy efficient and robust
physical layer solutions are proposed, respectively.
Due to a huge bandwidth of UWB signals, a considerable amount of multipath
arrivals with various path gains is resolvable at the receiver. For low
data rate impulse radio UWB systems, suboptimal non-coherent detection is a
simple way to effectively capture the multipath energy. Feasible techniques
that increase the power efficiency and the interference robustness of
non-coherent detection need to be investigated. For high data rate direct
sequence UWB systems, a large number of multipath arrivals results in
severe inter-/intra-symbol interference. Additionally, the system
performance may also be deteriorated by multi-user interference and
narrowband interference. It is necessary to develop advanced signal
processing techniques at the receiver to suppress these interferences.
Part I of this thesis deals with the co-design of signaling schemes and
receiver architectures in low data rate impulse radio UWB systems based on
non-coherent detection.â We analyze the bit error rate performance of
non-coherent detection and characterize a non-coherent combining loss,
i.e., a performance penalty with respect to coherent detection with maximum
ratio multipath combining. The thorough analysis of this loss is very
helpful for the design of transmission schemes and receive techniques
innon-coherent UWB communication systems.â We propose to use optical
orthogonal codes in a time hopping impulse radio UWB system based on an
analog non-coherent receiver. The âanalogâ means that the major part of
the multipath combining is implemented by an integrate and dump filter. The
introduced semi-analytical method can help us to easily select the time
hopping codes to ensure the robustness against the multi-user interference
and meanwhile to alleviate the non-coherent combining loss.â The main
contribution of Part I is the proposal of applying fully digital solutions
in non-coherent detection. The proposed digital non-coherent receiver is
based on a time domain analog-to-digital converter, which has a high speed
but a very low resolution to maintain a reasonable power consumption.
Compared to its analog counterpart, itnot only significantly reduces the
non-coherent combining loss but also offers a higher interference
robustness. In particular, the one-bit receiver can effectively suppress
strong multi-user interference and is thus advantageous in separating
simultaneously operating piconets.The fully digital solutions overcome the
difficulty of implementing long analog delay lines and make differential
UWB detection possible. They also facilitate the development of various
digital signal processing techniques such as multi-user detection and
non-coherent multipath combining methods as well as the use of advanced
modulationschemes (e.g., M-ary Walsh modulation).â Furthermore, we
present a novel impulse radio UWB system based on frequency hopping, where
both coherent and non-coherent receivers can be adopted. The key advantage
is that the baseband bandwidth can be considerably reduced (e.g., lower
than 500 MHz), which enables low-complexity implementation of the fully
digital solutions. It opens up various research activities in the
application field of wireless sensor networks.
Part II of this thesis proposes adaptive widely linear reduced-rank
techniques to suppress interferences for high data rate direct sequence UWB
systems, where second-order non-circular signals are used. The reduced-rank
techniques are designed to improve the convergence performance and the
interference robustness especially when the received vector contains a
large number of samples (due to a high sampling rate in UWB systems). The
widely linear processing takes full advantage of the second-order
statistics of the non-circular signals and enhances the estimation
performance. The generic widely linear reduced-rank concept also has a
great potential in the applications of other systems such as Direct
Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), Multiple Input Multiple
Output (MIMO) system, and Global System for Mobile Communications (GSM), or
in other areas such as beamforming
On Secure and Precise IR-UWB Ranging
To provide high ranging precision in multipath environments, a ranging protocol should find the first arriving path, rather than the strongest path. We demonstrate a new attack vector that disrupts such precise Time-of-Arrival (ToA) estimation, and allows an adversary to decrease the measured distance by a value in the order of the channel spread (10-20 meters). This attack vector can be used in previously reported physical-communication-layer (PHY) attacks against secure ranging (or distance bounding). Furthermore, it creates a new type of attack based on malicious interference: This attack is much easier to mount than the previously known external PHY attack (distance-decreasing relay) and it can work even if secret preamble codes are used. We evaluate the effectiveness of this attack for a PHY that is particularly well suited for precise ranging in multipath environments: Impulse Radio Ultra-Wideband (IR-UWB). We show, with PHY simulations and experiments, that the attack is effective against a variety of receivers and modulation schemes. Furthermore, we identify and evaluate three types of countermeasures that allow for precise and secure ranging
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