Randomly Spread CDMA: Asymptotics via Statistical Physics

This paper studies randomly spread code-division multiple access (CDMA) and multiuser detection in the large-system limit using the replica method developed in statistical physics. Arbitrary input distributions and flat fading are considered. A generic multiuser detector in the form of the posterior mean estimator is applied before single-user decoding. The generic detector can be particularized to the matched filter, decorrelator, linear MMSE detector, the jointly or the individually optimal detector, and others. It is found that the detection output for each user, although in general asymptotically non-Gaussian conditioned on the transmitted symbol, converges as the number of users go to infinity to a deterministic function of a "hidden" Gaussian statistic independent of the interferers. Thus the multiuser channel can be decoupled: Each user experiences an equivalent single-user Gaussian channel, whose signal-to-noise ratio suffers a degradation due to the multiple-access interference. The uncoded error performance (e.g., symbol-error-rate) and the mutual information can then be fully characterized using the degradation factor, also known as the multiuser efficiency, which can be obtained by solving a pair of coupled fixed-point equations identified in this paper. Based on a general linear vector channel model, the results are also applicable to MIMO channels such as in multiantenna systems.Comment: To be published in IEEE Transactions on Information Theor

Digital Signal Processing Research Program

Contains table of contents for Section 2, an introduction, reports on twenty research projects and a list of publications.Lockheed Sanders, Inc. Contract BZ4962U.S. Army Research Laboratory Grant QK-8819U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-93-1-0686National Science Foundation Grant MIP 95-02885U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-95-1-0834U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-96-1-0930U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-95-1-0362National Defense Science and Engineering FellowshipU.S. Air Force - Office of Scientific Research Grant F49620-96-1-0072National Science Foundation Graduate Research Fellowship Grant MIP 95-02885Lockheed Sanders, Inc. Grant N00014-93-1-0686National Science Foundation Graduate FellowshipU.S. Army Research Laboratory/ARL Advanced Sensors Federated Lab Program Contract DAAL01-96-2-000

An Assessment of Indoor Geolocation Systems

Currently there is a need to design, develop, and deploy autonomous and portable indoor geolocation systems to fulfil the needs of military, civilian, governmental and commercial customers where GPS and GLONASS signals are not available due to the limitations of both GPS and GLONASS signal structure designs. The goal of this dissertation is (1) to introduce geolocation systems; (2) to classify the state of the art geolocation systems; (3) to identify the issues with the state of the art indoor geolocation systems; and (4) to propose and assess four WPI indoor geolocation systems. It is assessed that the current GPS and GLONASS signal structures are inadequate to overcome two main design concerns; namely, (1) the near-far effect and (2) the multipath effect. We propose four WPI indoor geolocation systems as an alternative solution to near-far and multipath effects. The WPI indoor geolocation systems are (1) a DSSS/CDMA indoor geolocation system, (2) a DSSS/CDMA/FDMA indoor geolocation system, (3) a DSSS/OFDM/CDMA/FDMA indoor geolocation system, and (4) an OFDM/FDMA indoor geolocation system. Each system is researched, discussed, and analyzed based on its principle of operation, its transmitter, the indoor channel, and its receiver design and issues associated with obtaining an observable to achieve indoor navigation. Our assessment of these systems concludes the following. First, a DSSS/CDMA indoor geolocation system is inadequate to neither overcome the near-far effect not mitigate cross-channel interference due to the multipath. Second, a DSSS/CDMA/FDMA indoor geolocation system is a potential candidate for indoor positioning, with data rate up to 3.2 KBPS, pseudorange error, less than to 2 m and phase error less than 5 mm. Third, a DSSS/OFDM/CDMA/FDMA indoor geolocation system is a potential candidate to achieve similar or better navigation accuracy than a DSSS/CDMA indoor geolocation system and data rate up to 5 MBPS. Fourth, an OFDM/FDMA indoor geolocation system is another potential candidate with a totally different signal structure than the pervious three WPI indoor geolocation systems, but with similar pseudorange error performance

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Design and implementation of a downlink MC-CDMA receiver

Cette thèse présente une étude d'un système complet de transmission en liaison descendante utilisant la technologie multi-porteuse avec l'accès multiple par division de code (Multi-Carrier Code Division Multiple Access, MC-CDMA). L'étude inclut la synchronisation et l'estimation du canal pour un système MC-CDMA en liaison descendante ainsi que l'implémentation sur puce FPGA d'un récepteur MC-CDMA en liaison descendante en bande de base. Le MC-CDMA est une combinaison de la technique de multiplexage par fréquence orthogonale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) et de l'accès multiple par répartition de code (CDMA), et ce dans le but d'intégrer les deux technologies. Le système MC-CDMA est conçu pour fonctionner à l'intérieur de la contrainte d'une bande de fréquence de 5 MHz pour les modèles de canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire tel que décrit par le "Third Genaration Partnership Project" (3GPP). La composante OFDM du système MC-CDMA a été simulée en utilisant le logiciel MATLAB dans le but d'obtenir des paramètres de base. Des codes orthogonaux à facteur d'étalement variable (OVSF) de longueur 8 ont été choisis comme codes d'étalement pour notre système MC-CDMA. Ceci permet de supporter des taux de transmission maximum jusquà 20.6 Mbps et 22.875 Mbps (données non codées, pleine charge de 8 utilisateurs) pour les canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire, respectivement. Une étude analytique des expressions de taux d'erreur binaire pour le MC-CDMA dans un canal multivoies de Rayleigh a été réalisée dans le but d'évaluer rapidement et de façon précise les performances. Des techniques d'estimation de canal basées sur les décisions antérieures ont été étudiées afin d'améliorer encore plus les performances de taux d'erreur binaire du système MC-CDMA en liaison descendante. L'estimateur de canal basé sur les décisions antérieures et utilisant le critère de l'erreur quadratique minimale linéaire avec une matrice' de corrélation du canal de taille 64 x 64 a été choisi comme étant un bon compromis entre la performance et la complexité pour une implementation sur puce FPGA. Une nouvelle séquence d'apprentissage a été conçue pour le récepteur dans la configuration intérieur/extérieur pédestre dans le but d'estimer de façon grossière le temps de synchronisation et le décalage fréquentiel fractionnaire de la porteuse dans le domaine du temps. Les estimations fines du temps de synchronisation et du décalage fréquentiel de la porteuse ont été effectués dans le domaine des fréquences à l'aide de sous-porteuses pilotes. Un récepteur en liaison descendante MC-CDMA complet pour le canal intérieur /extérieur pédestre avec les synchronisations en temps et en fréquence en boucle fermée a été simulé avant de procéder à l'implémentation matérielle. Le récepteur en liaison descendante en bande de base pour le canal intérieur/extérieur pédestre a été implémenté sur un système de développement fabriqué par la compagnie Nallatech et utilisant le circuit XtremeDSP de Xilinx. Un transmetteur compatible avec le système de réception a également été réalisé. Des tests fonctionnels du récepteur ont été effectués dans un environnement sans fil statique de laboratoire. Un environnement de test plus dynamique, incluant la mobilité du transmetteur, du récepteur ou des éléments dispersifs, aurait été souhaitable, mais n'a pu être réalisé étant donné les difficultés logistiques inhérentes. Les taux d'erreur binaire mesurés avec différents nombres d'usagers actifs et différentes modulations sont proches des simulations sur ordinateurs pour un canal avec bruit blanc gaussien additif

Resource Allocation in Ad Hoc Networks

Unlike the centralized network, the ad hoc network does not have any central administrations and energy is constrained, e.g. battery, so the resource allocation plays a very important role in efficiently managing the limited energy in ad hoc networks. This thesis focuses on the resource allocation in ad hoc networks and aims to develop novel techniques that will improve the network performance from different network layers, such as the physical layer, Medium Access Control (MAC) layer and network layer. This thesis examines the energy utilization in High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) systems at the physical layer. Two resource allocation techniques, known as channel adaptive HSDPA and two-group HSDPA, are developed to improve the performance of an ad hoc radio system through reducing the residual energy, which in turn, should improve the data rate in HSDPA systems. The channel adaptive HSDPA removes the constraint on the number of channels used for transmissions. The two-group allocation minimizes the residual energy in HSDPA systems and therefore enhances the physical data rates in transmissions due to adaptive modulations. These proposed approaches provide better data rate than rates achieved with the current HSDPA type of algorithm. By considering both physical transmission power and data rates for defining the cost function of the routing scheme, an energy-aware routing scheme is proposed in order to find the routing path with the least energy consumption. By focusing on the routing paths with low energy consumption, computational complexity is significantly reduced. The data rate enhancement achieved by two-group resource allocation further reduces the required amount of energy per bit for each path. With a novel load balancing technique, the information bits can be allocated to each path in such that a way the overall amount of energy consumed is minimized. After loading bits to multiple routing paths, an end-to-end delay minimization solution along a routing path is developed through studying MAC distributed coordination function (DCF) service time. Furthermore, the overhead effect and the related throughput reduction are studied. In order to enhance the network throughput at the MAC layer, two MAC DCF-based adaptive payload allocation approaches are developed through introducing Lagrange optimization and studying equal data transmission period

Insertion of random spaces in time domain for frequency hopping sequences for RF systems

FFH es un método de acceso al canal con amplias aplicaciones pasadas y presentes, dentro de este método los códigos ortogonales usados en SFH-CDMA son de especial interés en amplias áreas de la tecnología. El presente trabajo implementa códigos ortogonales un coin-cidentes (1dOC) con restricciones en componentes espectrales adyacentes para el diseño de detectores auto correlacionados en RF que usan arreglos de sensores planos. La inclusión de retrasos temporales entre resonadores adyacentes es un método que permite disminuir la interferencia entre los usuarios (MAI), en contraposición a la disminución de la velocidad de transmisión y finalmente el ancho de banda del protocolo. La selección aleatoria de re-trasos entre símbolos adyacentes reduce los máximos en la correlación cruzada, aumentando el rango dinámico del detector asíncrono y por ende el número de usuarios que comparten el canal de comunicaciones.Improvements over the communications protocols are always a continuous research. Fast Frequency Hopping is an important method still in use and orthogonal codes used in SFH-CDMA are the special interest in several areas of technology. This research uses one coincident orthogonal code with restrictive adjacent spectral distance for the design of RF correlation detectors based on planar resonators arrays. Inclusion of uniform time delays sections between adjacent resonators is a well-known method to improve the MAI, at expenses of decrease the data rate and finally the bandwidth of protocol. Another strategy is selecting random delays between symbols in the way of adjacent peaks in cross correlation function vanishes, improving the dynamic range of asynchronous detector and accordingly the user number sharing the channel of communications