Fine timing synchronization based on modified expectation maximization clustering algorithm for OFDM systems

A novel fine timing synchronization method based on the modified expectation-maximization (EM) clustering algorithm is proposed for orthogonal frequency-division multiplexing systems. Using the cross-correlation metrics of one preamble symbol, the cross-correlation peaks corresponding to the channel arriving paths are identified by the proposed modified EM clustering algorithm, the position of the first coherent cross-correlation peak is then chosen as the start of the frame. Computer simulations show that the proposed method is robust in multipath dispersive channels and achieves superior performance to existing techniques in terms of timing accuracy

A Survey of Blind Modulation Classification Techniques for OFDM Signals

Blind modulation classification (MC) is an integral part of designing an adaptive or intelligent transceiver for future wireless communications. Blind MC has several applications in the adaptive and automated systems of sixth generation (6G) communications to improve spectral efficiency and power efficiency, and reduce latency. It will become a integral part of intelligent software-defined radios (SDR) for future communication. In this paper, we provide various MC techniques for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signals in a systematic way. We focus on the most widely used statistical and machine learning (ML) models and emphasize their advantages and limitations. The statistical-based blind MC includes likelihood-based (LB), maximum a posteriori (MAP) and feature-based methods (FB). The ML-based automated MC includes k-nearest neighbors (KNN), support vector machine (SVM), decision trees (DTs), convolutional neural networks (CNNs), recurrent neural networks (RNNs), and long short-term memory (LSTM) based MC methods. This survey will help the reader to understand the main characteristics of each technique, their advantages and disadvantages. We have also simulated some primary methods, i.e., statistical- and ML-based algorithms, under various constraints, which allows a fair comparison among different methodologies. The overall system performance in terms bit error rate (BER) in the presence of MC is also provided. We also provide a survey of some practical experiment works carried out through National Instrument hardware over an indoor propagation environment. In the end, open problems and possible directions for blind MC research are briefly discussed

Contribution à la conception d'un système 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 radio’s 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 à une demande sans cesse croissante de haut débit et d’adaptabilité des systèmes existants, qui à son tour se traduit par l’encombrement du spectre, le développement de nouvelles solutions dans le domaine des communications sans fil devient nécessaire afin de répondre aux exigences des applications émergentes. Parmi les innovations récentes dans ce domaine, l’ultra large bande (UWB) a suscité un vif intérêt. La radio impulsionnelle UWB (IR-UWB), qui est une solution intéressante pour réaliser des systèmes UWB, est caractérisée par la transmission des impulsions de très courte durée, occupant une largeur de bande allant jusqu’à 7,5 GHz, avec une densité spectrale de puissance extrêmement faible. Cette largeur de bande importante permet de réaliser plusieurs fonctionnalités intéressantes, telles que l’implémentation à faible complexité et à coût réduit, la possibilité de se superposer aux systèmes à bande étroite, la diversité spatiale et la localisation très précise de l’ordre centimétrique, en raison de la résolution temporelle très fine.Dans cette thèse, nous examinons certains éléments clés dans la réalisation d'un système IR-UWB intelligent. Nous avons tout d’abord proposé le concept de radio UWB cognitive à partir des similarités existantes entre l'IR-UWB et la radio cognitive. Dans sa définition la plus simple, un tel système est conscient de son environnement et s'y adapte intelligemment. Ainsi, nous avons tout d’abord focalisé notre recherché sur l’analyse de la disponibilité des ressources spectrales (spectrum sensing) et la conception d’une forme d’onde UWB adaptative, considérées comme deux étapes importantes dans la réalisation d'une radio cognitive UWB. Les algorithmes de spectrum sensing devraient fonctionner avec un minimum de connaissances a priori et détecter rapidement les utilisateurs primaires. Nous avons donc développé de tels algorithmes utilisant des résultats récents sur la théorie des matrices aléatoires, qui sont capables de fournir de bonnes performances, avec un petit nombre d'échantillons. Ensuite, nous avons proposé une méthode de conception de la forme d'onde UWB, vue comme une superposition de fonctions B-splines, dont les coefficients de pondération sont optimisés par des algorithmes génétiques. Il en résulte une forme d'onde UWB qui est spectralement efficace et peut s’adapter pour intégrer les contraintes liées à la radio cognitive. Dans la 2ème partie de cette thèse, nous nous sommes attaqués à deux autres problématiques importantes pour le fonctionnement des systèmes UWB, à savoir la synchronisation et l’estimation du canal UWB, qui est très dense en trajets multiples. Ainsi, nous avons proposé plusieurs algorithmes de synchronisation, de faible complexité et sans séquence d’apprentissage, pour les modulations BPSK et PSM, en exploitant l'orthogonalité des formes d'onde UWB ou la cyclostationnarité inhérente à la signalisation IR-UWB. Enfin, nous avons travaillé sur l'estimation du canal UWB, qui est un élément critique pour les récepteurs Rake cohérents. Ainsi, nous avons proposé une méthode d’estimation du canal basée sur une combinaison de deux approches complémentaires, le maximum de vraisemblance et la décomposition en sous-espaces orthogonaux,d’améliorer globalement les performances

Signal Processing and Learning for Next Generation Multiple Access in 6G

Wireless communication systems to date primarily rely on the orthogonality of resources to facilitate the design and implementation, from user access to data transmission. Emerging applications and scenarios in the sixth generation (6G) wireless systems will require massive connectivity and transmission of a deluge of data, which calls for more flexibility in the design concept that goes beyond orthogonality. Furthermore, recent advances in signal processing and learning have attracted considerable attention, as they provide promising approaches to various complex and previously intractable problems of signal processing in many fields. This article provides an overview of research efforts to date in the field of signal processing and learning for next-generation multiple access, with an emphasis on massive random access and non-orthogonal multiple access. The promising interplay with new technologies and the challenges in learning-based NGMA are discussed

Novel Aspects of Interference Alignment in Wireless Communications

Interference alignment (IA) is a promising joint-transmission technology that essentially enables the maximum achievable degrees-of-freedom (DoF) in K-user interference channels. Fundamentally, wireless networks are interference-limited since the spectral efficiency of each user in the network is degraded with the increase of users. IA breaks through this barrier, that is caused by the traditional interference management techniques, and promises large gains in spectral efficiency and DoF, notably in interference limited environments. This dissertation concentrates on overcoming the challenges as well as exploiting the opportunities of IA in K-user multiple-input multiple-output (MIMO) interference channels. In particular, we consider IA in K-user MIMO interference channels in three novel aspects. In the first aspect, we develop a new IA solution by designing transmit precoding and interference suppression matrices through a novel iterative algorithm based on Min-Maxing strategy. Min-Maxing IA optimization problem is formulated such that each receiver maximizes the power of the desired signal, whereas it preserves the minimum leakage interference as a constraint. This optimization problem is solved by relaxing it into a standard semidefinite programming form, and additionally its convergence is proved. Furthermore, we propose a simplified Min-Maxing IA algorithm for rank-deficient interference channels to achieve the targeted performance with less complexity. Our numerical results show that Min-Maxing IA algorithm proffers significant sum-rate improvement in K-user MIMO interference channels compared to the existing algorithms in the literature at high signal-to-noise ratio (SNR) regime. Moreover, the simplified algorithm matches the optimal performance in the systems of rank-deficient channels. In the second aspect, we deal with the practical challenges of IA under realistic channels, where IA is highly affected by the spatial correlation. Data sum-rate and symbol error-rate of IA are dramatically degraded in real-world scenarios since the correlation between channels decreases the SNR of the received signal after alignment. For this reason, an acceptable sum-rate of IA in MIMO orthogonal frequency-division-multiplexing (MIMO-OFDM) interference channels was obtained in the literature by modifying the locations of network nodes and the separation between the antennas within each node in order to minimize the correlation between channels. In this regard, we apply transmit antenna selection to MIMO-OFDM IA systems either through bulk or per-subcarrier selection aiming at improving the sum-rate and/or error-rate performance under real-world channel circumstances while keeping the minimum spatial antenna separation of half-wavelengths. A constrained per-subcarrier antenna selection is performed to avoid subcarrier imbalance across the antennas of each user that is caused by per-subcarrier selection. Furthermore, we propose a sub-optimal antenna selection algorithm to reduce the computational complexity of the exhaustive search. An experimental testbed of MIMO-OFDM IA with antenna selection in indoor wireless network scenarios is implemented to collect measured channels. The performance of antenna selection in MIMO IA systems is evaluated using measured and deterministic channels, where antenna selection achieves considerable improvements in sum-rate and error-rate under real-world channels. Third aspect of this work is exploiting the opportunity of IA in resource management problem in OFDM based MIMO cognitive radio systems that coexist with primary systems. We propose to perform IA based resource allocation to improve the spectral efficiency of cognitive systems without affecting the quality of service (QoS) of the primary system. IA plays a vital role in the proposed algorithm enabling the secondary users (SUs) to cooperate and share the available spectrum aiming at increasing the DoF of the cognitive system. Nevertheless, the number of SUs that can share a given subcarrier is restricted to the IA feasibility conditions, where this limitation is considered in problem formulation. As the optimal solution for resource allocation problem is mixed-integer, we propose a two-phases efficient sub-optimal algorithm to handle this problem. In the first phase, frequency-clustering with throughput fairness consideration among SUs is performed to tackle the IA feasibility conditions, where each subcarrier is assigned to a feasible number of SUs. In the second phase, the power is allocated among subcarriers and SUs without violating the interference constraint to the primary system. Simulation results show that IA with frequency-clustering achieves a significant sum-rate increase compared to cognitive radio systems with orthogonal multiple access transmission techniques. The considered aspects with the corresponding achievements bring IA to have a powerful role in the future wireless communication systems. The contributions lead to significant improvements in the spectral efficiency of IA based wireless systems and the reliability of IA under real-world channels.Interference Alignment (IA) ist eine vielversprechende kooperative Übertragungstechnik, die die meisten Freiheitsgrade (engl. degrees-of-freedom, DoF) in Bezug auf Zeit, Frequenz und Ort in einem Mehrnutzer Überlagerungskanal bietet. Im Grunde sind Funksysteme Interferenz begrenzt, da die Spektraleffizienz jedes einzelnen Nutzers mit zunehmender Nutzerzahl sinkt. IA durchbricht die Schranke, die herkömmliches Interferenzmanagement errichtet und verspricht große Steigerungen der Spektraleffizienz und der Freiheitsgrade, besonders in Interferenzbegrenzter Umgebung. Die vorliegende Dissertation betrachtet bisher noch unerforschte Möglichkeiten von IA in Mehrnutzerszenarien für Mehrantennen- (MIMO) Kanäle sowie deren Anwendung in einem kognitiven Kommunikationssystem. Als erstes werden mit Hilfe eines effizienten iterativen Algorithmus, basierend auf der Min-Maxing Strategie, senderseitige Vorkodierungs- und Interferenzunterdrückungs Matrizen entwickelt. Das Min-Maxing Optimierungsproblem ist dadurch beschreiben, dass jeder Empfänger seine gewünschte Signalleistung maximiert, während das Minimum der Leck-Interferenz als Randbedingung beibehalten wird. Zur Lösung des Problems wird es in eine semidefinite Form überführt, zusätzlich wird deren Konvergenz nachgewiesen. Des Weiteren wird ein vereinfachter Algorithmus für nicht vollrangige Kanalmatrizen vorgeschlagen, um die Rechenkomplexität zu verringern. Wie numerische Ergebnisse belegen, bedeutet die Min-Maxing Strategie eine wesentliche Verbesserung des Systemdurchsatzes gegenüber den bisher in der Literatur beschriebenen Algorithmen für Mehrnutzer MIMO Szenarien im hohen Signal-Rausch-Verhältnis (engl. signal-to-noise ratio, SNR). Mehr noch, der vereinfachte Algorithmus zeigt das optimale Verhalten in einem System mit nicht vollrangigen Kanalmatrizen. Als zweites werden die IA Herausforderungen an Hand von realistischen/realen Kanälen in der Praxis untersucht. Hierbei wird das System stark durch räumliche Korrelation beeinträchtigt. Der Datendurchsatz sinkt und die Symbolfehlerrate steigt dramatisch unter diesen Bedingungen, da korrelierte Kanäle den SNR des empfangenen Signals nach dem Alignment verschlechtern. Aus diesem Grund wurde in der Literatur für IA in MIMO-OFDM Überlagerungskanälen sowohl die Position der einzelnen Netzwerkknoten als auch die Trennung zwischen den Antennen eines Knotens variiert, um so die Korrelierung der verschiedenen Kanäle zu minimieren. Das vorgeschlagene MIMO-OFDM IA System wählt unter mehreren Sendeantennen, entweder pro Unterträger oder für das komplette Signal, um so die Symbolfehlerrate und/oder die gesamt Datenrate zu verbessern, während die räumliche Trennung der Antennen auf die halbe Wellenlänge beschränkt bleiben soll. Bei der Auswahl pro Unterträger ist darauf zu achten, dass die Antennen gleichmäßig ausgelastet werden. Um die Rechenkomplexität für die vollständige Durchsuchung gering zu halten, wird ein suboptimaler Auswahlalgorithmus verwendet. Mit Hilfe einer Innenraummessanordnung werden reale Kanaldaten für die Simulationen gewonnen. Die Evaluierung des MIMO IA Systems mit Antennenauswahl für deterministische und gemessene Kanäle hat eine Verbesserung bei der Daten- und Fehlerrate unter realen Bedingungen ergeben. Als drittes beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit den Möglichkeiten, die sich durch MIMO IA Systeme für das Ressourcenmanagementproblem bei kognitiven Funksystemen ergeben. In kognitiven Funksystemen müssen MIMO IA Systeme mit primären koexistieren. Es wird eine IA basierte Ressourcenzuteilung vorgeschlagen, um so die spektrale Effizienz des kognitiven Systems zu erhöhen ohne die Qualität (QoS) des primären Systems zu beeinträchtigen. Der vorgeschlagenen IA Algorithmus sorgt dafür, dass die Zweitnutzer (engl. secondary user, SU) untereinander kooperieren und sich das zur Verfügung stehende Spektrum teilen, um so die DoF des kognitiven Systems zu erhöhen. Die Anzahl der SUs, die sich eine Unterträgerfrequenz teilen, ist durch die IA Randbedingungen begrenzt. Die Suche nach der optimalen Ressourcenverteilung stellt ein gemischt-ganzzahliges Problem dar, zu dessen Lösung ein effizienter zweistufiger suboptimaler Algorithmus vorgeschlagen wird. Im ersten Schritt wird durch Frequenzzusammenlegung (Clusterbildung), unter Berücksichtigung einer fairen Durchsatzverteilung unter den SUs, die IA Anforderung erfüllt. Dazu wird jede Unterträgerfrequenz einer praktikablen Anzahl an SUs zugeteilt. Im zweiten Schritt wird die Sendeleistung für die einzelnen Unterträgerfrequenzen und SUs so festgelegt, dass die Interferenzbedingungen des Primärsystems nicht verletzt werden. Die Simulationsergebnisse für IA mit Frequenzzusammenlegung zeigen eine wesentliche Verbesserung der Datenrate verglichen mit kognitiven Systemen, die auf orthogonalen Mehrfachzugriffsverfahren beruhen. Die in dieser Arbeit betrachteten Punkte und erzielten Lösungen führen zu einer wesentlichen Steigerung der spektralen Effizienz von IA Systemen und zeigen deren Zuverlässigkeit unter realen Bedingungen