Estimation and detection techniques for doubly-selective channels in wireless communications

A fundamental problem in communications is the estimation of the channel. The signal transmitted through a communications channel undergoes distortions so that it is often received in an unrecognizable form at the receiver. The receiver must expend significant signal processing effort in order to be able to decode the transmit signal from this received signal. This signal processing requires knowledge of how the channel distorts the transmit signal, i.e. channel knowledge. To maintain a reliable link, the channel must be estimated and tracked by the receiver. The estimation of the channel at the receiver often proceeds by transmission of a signal called the 'pilot' which is known a priori to the receiver. The receiver forms its estimate of the transmitted signal based on how this known signal is distorted by the channel, i.e. it estimates the channel from the received signal and the pilot. This design of the pilot is a function of the modulation, the type of training and the channel. [Continues.

Joint Channel Estimation and Detection for Multi-Carrier MIMO Communications

In MIMO OFDM systems, channel estimation and detection are very important. Pilot-based channel estimation using BEMs is widely used for approximating time-frequency variations of doubly-selective channels. BEMs can provide high estimation performance with low computational load. Data-aided channel estimation outperforms the pilot-based estimation. The data-aided estimation iteratively improves estimates using tentative data symbols and corresponding adaptive weights (reweighted channel estimation). These weights are computed assuming Gaussian data errors, which is inapplicable to OFDM. In this thesis, this assumption is however shown to improve the channel estimation performance. The reweighted channel estimation is shown to significantly outperform the unweighted estimation. Most often used mismatched receivers assume perfect channel estimates when detecting data symbols. However, due to limited pilot symbols and data errors, the channel estimates are imperfect, resulting in a degraded detection performance. The optimal receiver without explicit channel estimation significantly outperform mismatched receivers. However, its complexity is high. To reduce the complexity, a receiver that combines mismatched and optimal detection is proposed. The optimal detection is only applied to data symbols unreliably detected by the mismatched detector, identified using weights computed in the reweighted estimator. The channel estimator and the optimal receiver require the knowledge of channel statistics, which are unavailable and difficult to acquire. To overcome this, an adaptive regularization using the cross-validation criterion is introduced, which finds a regularization matrix providing best channel estimates. The proposed receiver has a reduced complexity than the optimal receiver and provides close-to-optimal detection performance without the knowledge of channel PDP. The adaptive regularization is extended to joint estimation of the Doppler-delay spread and channel. The Doppler and delay spread corresponding to the optimal regularization are selected as their estimates. This approach outperforms other known techniques and provides channel estimation performance close to that obtained with perfect channel statistics

Fractional fourier based sparse channel estimation for multicarrier underwater acoustic communication system

This paper presents a hybrid sparse channel estimation based on Fractional Fourier Transform (FrFT) for orthogonal frequency division multiplex (OFDM) scenario to exploit channel sparsity of underwater acoustic (UWA) channel. A novel channel dictionary matrix based on chirp signals is constructed and mutual coherence is adopted to evaluate its preservation of sparse information. In addition, Compressive Sampling Matching Pursuit (CoSaMP) is implemented to estimate the sparse channel coefficients. Simulation results demonstrate a significant Normalized Mean Square Error (NMSE) improvement of 10dB over Basis Expansion Model (BEM) with less complexity

Synchronisation, détection et égalisation de modulation à phase continue dans des canaux sélectifs en temps et en fréquence

Si les drones militaires connaissent un développement important depuis une quinzaine d’année, suivi depuis quelques années par les drones civiles dont les usages ne font que se multiplier, en réalité les drones ont un siècle avec le premier vol d’un avion équipé d’un système de pilotage automatique sur une centaine de kilomètre en 1918. La question des règles d’usage des drones civiles sont en cours de développement malgré leur multiplication pour des usages allant de l’agriculture, à l’observation en passant par la livraison de colis. Ainsi, leur intégration dans l’espace aérien reste un enjeu important, ainsi que les standards de communication avec ces drones dans laquelle s’inscrit cette thèse. Cette thèse vise en effet à étudier et proposer des solutions pour les liens de communications des drones par satellite.L’intégration de ce lien de communication permet d’assurer la fiabilité des communications et particulièrement du lien de Commande et Contrôle partout dans le monde, en s’affranchissant des contraintes d’un réseau terrestre (comme les zones blanches). En raison de la rareté des ressources fréquentielles déjà allouées pour les futurs systèmes intégrant des drones, l’efficacité spectrale devient un paramètre important pour leur déploiement à grande échelle et le contexte spatiale demande l’utilisation d’un système de communication robuste aux non-linéarités. Les Modulations à Phase Continue permettent de répondre à ces problématiques. Cependant, ces dernières sont des modulations non-linéaire à mémoire entraînant une augmentation de la complexité des récepteurs. Du fait de la présence d’un canal multi-trajet (canal aéronautique par satellite), le principal objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes d’égalisation (dans le domaine fréquentiel pour réduire leur complexité) et de synchronisation pour CPM adaptés à ce concept tout en essayant de proposer une complexité calculatoire raisonnable. Dans un premier temps, nous avons considéré uniquement des canaux sélectifs en fréquence et avons étudier les différents égaliseurs de la littérature. En étudiant leur similitudes et différences, nous avons pu développer un égaliseur dans le domaine fréquentiel qui proposant les mêmes performances a une complexité moindre. Nous proposons également des méthodes d’estimation canal et une méthode d’estimation conjointe du canal et de la fréquence porteuse. Dans un second temps nous avons montré comment étendre ces méthodes à des canaux sélectifs en temps et fréquence permettant ainsi de conserver une complexité calculatoire raisonnable

Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist

UNDERWATER COMMUNICATIONS WITH ACOUSTIC STEGANOGRAPHY: RECOVERY ANALYSIS AND MODELING

In the modern warfare environment, communication is a cornerstone of combat competence. However, the increasing threat of communications-denied environments highlights the need for communications systems with low probability of intercept and detection. This is doubly true in the subsurface environment, where communications and sonar systems can reveal the tactical location of platforms and capabilities, subverting their covert mission set. A steganographic communication scheme that leverages existing technologies and unexpected data carriers is a feasible means of increasing assurance of communications, even in denied environments. This research works toward a covert communication system by determining and comparing novel symbol recovery schemes to extract data from a signal transmitted under a steganographic technique and interfered with by a simulated underwater acoustic channel. We apply techniques for reliably extracting imperceptible information from unremarkable acoustic events robust to the variability of the hostile operating environment. The system is evaluated based on performance metrics, such as transmission rate and bit error rate, and we show that our scheme is sufficient to conduct covert communications through acoustic transmissions, though we do not solve the problems of synchronization or equalization.Lieutenant, United States NavyApproved for public release. Distribution is unlimited

Factor Graph Based Detection Schemes for Mobile Terrestrial DVB Systems with Long OFDM Blocks

This PhD dissertation analyzes the performance of second generation digital video broadcasting (DVB) systems in mobile terrestrial environments and proposes an iterative detection algorithm based on factor graphs (FG) to reduce the distortion caused by the time variation of the channel, providing error-free communication in very severe mobile conditions. The research work focuses on mobile scenarios where the intercarrier interference (ICI) is very high: high vehicular speeds when long orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) blocks are used. As a starting point, we provide the theoretical background on the main topics behind the transmission and reception of terrestrial digital television signals in mobile environments, along with a general overview of the main signal processing techniques included in last generation terrestrial DVB systems. The proposed FG-based detector design is then assessed over a simpli ed bit-interleaved coded modulation (BICM)-OFDM communication scheme for a wide variety of mobile environments. Extensive simulation results show the e ectiveness of the proposed belief propagation (BP) algorithm over the channels of interest in this research work. Moreover, assuming that low density parity-check (LDPC) codes are decoded by means of FG-based algorithms, a high-order FG is de ned in order to accomplish joint signal detection and decoding into the same FG framework, o ering a fully parallel structure very suitable when long OFDM blocks are employed. Finally, the proposed algorithms are analyzed over the physical layer of DVB-T2 speci cation. Two reception schemes are proposed which exploit the frequency and time-diversity inherent in time-varying channels with the aim of achieving a reasonable trade-o among performance, complexity and latency.Doktoretza tesi honek bigarren belaunaldiko telebista digitalaren eraginkortasuna aztertzen du eskenatoki mugikorrean, eta faktoreen grafoetan oinarritzen den hartzaile iteratibo bat proposatzen du denboran aldakorra den kanalak sortzen duen distortsioa leundu eta seinalea errorerik gabe hartzea ahalbidetzen duena. Proposatutako detektorea BICM-OFDM komunikazio eskema orokor baten gainean ebaluatu da lurreko broadcasting kanalaren baldintzak kontutan hartuz. Simulazio emaitzek algoritmo honen eraginkortasuna frogatzen dute Doppler frekuentzia handietan. Ikerketa lanaren bigarren zatian, faktoreen grafoetan oinarritutako detektorea eskema turbo zabalago baten baitan txertatu da LDPC dekodi katzaile batekin batera. Hartzaile diseinu honen abantaila nagusia da OFDM simbolo luzeetara ondo egokitzen dela. Azkenik, proposatutako algoritmoa DVB-T2 katearen baitan inplementatu da, bi hartzaile eskema proposatu direlarik seinaleak duen dibertsitate tenporal eta frekuentziala probesteko, beti ere eraginkortasunaren, konplexutasunaren eta latentziaren arteko konpromisoa mantenduz.Este trabajo de tesis analiza el rendimiento de la segunda generación de la televisión digital terreste en escenarios móviles y propone un algoritmo iterativo basado en grafos de factores para la detección de la señal y la reducción de la distorsión causada por la variación temporal del canal, permitiendo así recibir la señal libre de errores. El detector basado en grafos de factores propuesto es evaluado sobre un esquema de comunicaciones general BICM-OFDM en condiciones de transmisión propios de canales de difusión terrestres. Los resultados de simulación presentados muestran la e ciencia del algoritmo de detección propuesto en presencia de frecuencias Doppler muy altas. En una segunda parte del trabajo de investigación, el detector propuesto es incorporado a un esquema turbo junto con un decodi cador LDPC, dando lugar a un receptor iterativo que presenta características especialmente apropiadas para su implementación en sistemas OFDM con longitudes de símbolo elevadas. Por último, se analiza la implementación del algoritmo propuesto sobre la cadena de recepción de DVB-T2. Se presentan dos esquemas de recepción que explotan la diversidad temporal y frecuencial presentes en la señal afectada por canales variantes en el tiempo, consiguiendo un compromiso razonable entre rendimiento, complejidad y latencia