Channel estimation, synchronisation and contention resolution in wireless communication networks

In the past decade, the number of wireless communications users is increasing at an unprecedented rate. However, limited radio resources must accommodate the increasing number of users. Hence, the efficient use of radio spectrum is a critical issue that needs to be addressed. In order to improve the spectral efficiency for the wireless communication networks, we investigate two promising technologies, the relaying and the multiple access schemes. In the physical (PHY) layer of the open systems interconnect (OSI) model, the relaying schemes are capable to improve the transmission reliability and expand transmission coverage via cooperative communications by using relay nodes. Hence, the two-way relay network (TWRN), a cooperative communications network, is investigated in the first part of the thesis. In the media access control (MAC) layer of the OSI model, the multiple access schemes are able to schedule multiple transmissions by efficiently allocating limited radio resources. As a result, the contention-based multiple access schemes for contention resolution are explored in the second part of the thesis. In the first part of the thesis, the channel estimation for the two-way relay networks (TWRNs) is investigated. Firstly, the channel estimation issue is considered under the assumption of the perfect synchronisation. Then, the channel estimation is conducted, by relaxing the assumption of perfect synchronisation. Another challenge facing the wireless communication systems is the contention and interference due to multiple transmissions from multiple nodes, sharing the common communication medium. To improve the spectral efficiency in the media access control layer, a self-adaptive backoff (SAB) algorithm is proposed to resolve contention in the contention-based multiple access networks

Channel estimation, synchronisation and contention resolution in wireless communication networks

In the past decade, the number of wireless communications users is increasing at an unprecedented rate. However, limited radio resources must accommodate the increasing number of users. Hence, the efficient use of radio spectrum is a critical issue that needs to be addressed. In order to improve the spectral efficiency for the wireless communication networks, we investigate two promising technologies, the relaying and the multiple access schemes. In the physical (PHY) layer of the open systems interconnect (OSI) model, the relaying schemes are capable to improve the transmission reliability and expand transmission coverage via cooperative communications by using relay nodes. Hence, the two-way relay network (TWRN), a cooperative communications network, is investigated in the first part of the thesis. In the media access control (MAC) layer of the OSI model, the multiple access schemes are able to schedule multiple transmissions by efficiently allocating limited radio resources. As a result, the contention-based multiple access schemes for contention resolution are explored in the second part of the thesis. In the first part of the thesis, the channel estimation for the two-way relay networks (TWRNs) is investigated. Firstly, the channel estimation issue is considered under the assumption of the perfect synchronisation. Then, the channel estimation is conducted, by relaxing the assumption of perfect synchronisation. Another challenge facing the wireless communication systems is the contention and interference due to multiple transmissions from multiple nodes, sharing the common communication medium. To improve the spectral efficiency in the media access control layer, a self-adaptive backoff (SAB) algorithm is proposed to resolve contention in the contention-based multiple access networks

Optimization and Applications of Modern Wireless Networks and Symmetry

Due to the future demands of wireless communications, this book focuses on channel coding, multi-access, network protocol, and the related techniques for IoT/5G. Channel coding is widely used to enhance reliability and spectral efficiency. In particular, low-density parity check (LDPC) codes and polar codes are optimized for next wireless standard. Moreover, advanced network protocol is developed to improve wireless throughput. This invokes a great deal of attention on modern communications

Digital Signal Processing for Front-end Non-idealities in Coherent Optical OFDM system

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Co-channel digital signal separation : application and practice

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, School of Architecture and Planning, Program in Media Arts and Sciences, 2008.Includes bibliographical references (leaves 84-86).This thesis studies the theory and application of co-channel digital signal separation techniques. We set up a test-bed with the GNU Software Defined Radio (SDR) platform where we implement and experiment with single-antenna signal separation algorithms. We mainly investigate linearly-modulated digital signals. To do this, we design a multiple RFID card reader capable of decoding multiple commodity ID cards simultaneously. These passive RFID cards transmit DBPSK waveforms once activated. A signal separation function at the receiver delivers great convenience to the users without increasing the complexity and cost of the cards. Second, we derive the optimal criteria for deciding the start of an RFID frame. We show that the commonly utilized correlation rule is suboptimal and that a correction term needs to be considered to achieve the best detection performance. Several rules for frame synchronization are proposed and analyzed numerically using Monte Carlo simulation. These signal separation techniques present an opportunity to improve the capacity of wireless systems and combat interference. This thesis documents design issues in the physical and application layers, thereby demonstrating the great flexibility and strength of the GNU SDR system.by Dawei Shen.S.M

衛星受信機のための動的部分再構成型復調器の設計と実装

九州工業大学博士学位論文 学位記番号：工博甲第461号 学位授与年月日：平成30年9月21日1: Introduction|2: Background and Literature Review|3: Dynamic Partial Reconfigurable Demodulation System – Classification|4: DPRDS – DPR|5: ICAP Multiple Access by DPRDS and SEU Mitigation Systems|6: Conclusion and Future Perspective九州工業大学平成30年

Ефективна демодуляція та ідентифікація сигналів із фазовою маніпуляцією у каналах із несприятливими умовами радіоприймання

Круглик О. С. Ефективна демодуляція та ідентифікація сигналів із фазовою маніпуляцією у каналах із несприятливими умовами радіоприймання. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка» (17 - Електроніка та телекомунікації). Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2022. Розвиток цифрового зв'язку породжує необхідність розробки високошвидкісних, ресурсномістких систем телекомунікаційних систем і більш ефективних методів використання частотного ресурсу. Новітні технології зв’язку із розширенням сфери їх використання одночасно із новими можливостями та перевагами, ускладнюють завдання синхронізації та подальшої обробки даних приймачем. Крім того, в каналах з несприятливими умовами радіоприймання, для яких характерна швидка зміна параметрів сигналу внаслідок часового розсіювання і допплерівського розширення спектра сигналів та невідомими характеристики каналу передачі, виникають ситуації, коли більшість модемів не дозволяють забезпечити якісний прийом сигналу. Тому ключовим завданням на шляху створення нових систем цифрового радіозв’язку є розробка більш ефективних та більш стійких до несприятливих умов приймання методів цифрової синхронізації. При цьому головну роль відіграють системи із використанням фазової маніпуляції сигналу, які є найбільш поширеними та, відповідно, найбільш практично важливими. В дисертаційній роботі розкрито поняття несприятливих умов радіоприймання, які найбільше характерні для приймання сигналу в так званій «третій точці» прийому в завданнях кооперативної ретрансляції та радіомоніторингу. Розглянуто основні технології мультиплексування при передаванні сигналів на фізичному рівні в безпровідному цифровому зв’язку та показано залежність вибору методу синхронізації від схеми мультиплексування, що використовується в конкретній системі зв’язку. Розглянуто спосіб ефективного використання частотного ресурсу за рахунок використання технології Carrier-in-Carrier. Проведено короткий аналіз та опис відомих способів передавання та розділення сигналів із суми за технологією Carrier-in-Carrier. Проведено аналітичний огляд популярних методів ідентифікації та демодуляції сигналів із фазовою маніпуляцією, а також обґрунтовано необхідність досліджень та розробки нових алгоритмів ідентифікації і синхронізації для закриття потреб в сучасних сферах використання безпровідного зв’язку. Запропоновано гібридний метод демодуляції сигналів, який поєднує алгоритми прямого оцінювання параметрів сигналу (feedforward) з подальшою синхронізацією параметрів за схемами зі зворотним зв'язком (feedback). Початкова оцінка зміщення частоти-носія, фази та часової затримки сигналу виконується по відомому пілот-сигналу. Потім отримані оцінки застосовуються для ініціалізації схем зі зворотним зв’язком для миттєвого входу у режим стеження. Проведено розрахунок оптимальних параметрів петлевих фільтрів для підсистем фазо-частотної та часової синхронізації. Виконано порівнювальне моделювання відомих традиційних методів демодуляції та гібридного методу на прикладі сигналів з фазовою маніпуляцією, таких як QPSK, 8PSK, 16APSK та 32APSK. Отримані результати підтверджують, що в умовах швидкої зміни параметрів сигналу гібридний алгоритм забезпечує мінімальне значення бітової похибки в залежності від SNR у порівнянні з традиційними методами, які засновані окремо на схемах синхронізації feedback або feedforward. Запропоноване гібридне поєднання алгоритмів feedback і feedforward дозволило застосовувати алгоритми зі зворотним зв’язком до сигналів з пакетним режимом передавання даних. Розглянутий підхід до синхронізації можна також використовувати для сигналів із іншими видами фазової маніпуляції. Досліджено сучасні алгоритми фреймової синхронізації для стандарту супутникового зв'язку DVB-S2. Робота підсистеми фреймової синхронізації з великими зміщеннями частоти-носія сигналу є основною перевагою різницевих методів обчислення кореляції над класичним розрахунком крос-кореляції. Використання різницевих методів дає можливість відмовитись від початкової оцінки зміщення частоти-носія і пришвидшити реєстрацію модему зв’язку. Запропоновано алгоритм із адаптивним порогом, який засновано на використанні різницевої кореляції сигналів. Особливістю представленого методу є те, що зі зміною рівня вхідного сигналу поріг для прийняття рішення також змінюється адаптивно, що дозволяє відмовитися на даній стадії обробки сигналу від системи автоматичного регулювання потужності. Проведено порівняльне моделювання запропонованого методу фреймової синхронізації із відомими методами, які засновані на обчисленні різницевої кореляції, результати отриманих характеристик ймовірності пропуску від співвідношення сигнал/шум показали перевагу запропонованого алгоритму над відомими методами. Також розглянуті шляхи щодо практичної реалізації даного алгоритму на елементній базі FPGA. Зокрема, був використаний апроксимуючий метод для розрахунку модуля комплексного числа, імплементація якого легко виконується на логічних елементах кристала FPGA без втрати швидкодії алгоритму в цілому. Введено новий підхід до демодуляції сигналів на основі методів корпускулярної фільтрації. Корпускулярна (або багаточасткова, particle) фільтрація є ефективним засобом вирішення нелінійних та негаусівських задач теорії статистичного оцінювання. Основним принципом корпускулярної фільтрації є апроксимація розподілу невідомих параметрів за допомогою дискретного набору корпускул та пов'язаних з ними вагових коефіцієнтів. Сформульовано модель простору станів сигналу спостереження з урахуванням динаміки оновлення параметрів каналу. Проведено порівняльний аналіз із відомими методами демодуляції на прикладі сигналів із фазовою маніпуляцією. Показано, що при достатній кількості корпускул, ефективність демодуляції, а саме забезпечення мінімальної бітової похибки (BER), може бути покращена шляхом застосування методів корпускулярної фільтрації при низьких співвідношеннях сигнал/шум на фоні негаусівського шуму. Розроблено метод детектування версії стандарту DVB-S2/S2X із використанням запропонованих методів синхронізації і декодування службової інформації фізичного рівня. Обидві версії стандарту мають майже однакову структуру на фізичному рівні. Подібність сигналів фізичного рівня призводить, наприклад, до того, що при невірному налаштуванні частоти, приймачем DVB-S2 може прийматися сигнал стандарту DVB-S2X. Детектор складається із систем кадрової синхронізації, демодулятора і декодера поля PLSCODE. Запропоновано формули розрахунку біт поля PLSCODE і декодування службової інформації відповідно для стандартів широкосмугового оповіщення DVB-S2 та DVB-S2X. Представлений детектор дозволяє визначити до якої ревізії належить переданий сигнал та визначити параметри фрейму. Розроблено програмну модель описаного методу. Виконано експериментальні розрахунки ROC кривої та ймовірності пропуску від співвідношення сигнал/шум. Отримані результати моделювання показують високу ефективність запропонованого методу детектування навіть при негативних співвідношеннях сигнал/шум. Також в роботі пропонується метод ідентифікації сигналів, які передаються за технологією Carrier-in-Carrier із використанням QPSK модуляції. Метод базується на розрахунку кумулянтів четвертого порядку для виявлення змін в формі сигнального сузір’я, які характерні для сигналів типу Carrier-in-Carrier. Відповідно до методології робочих характеристик приймача (ROC) знайдено порогове значення для правила прийняття рішень. Встановлено, що запропонований метод забезпечує коректне виявлення суми сигналів QPSK для широкого діапазону співвідношень сигнал/шум, різних амплітуд сигналів із суми, а також для різних смуг пропускання змішаних сигналів. Отримані результати свідчать про високу ефективність запропонованого методу виявлення. Також показана перевага запропонованого методу виявлення перед методом «радіусів».Kruhlyk O. S. Efficient demodulation and identification of signals with phase manipulation in channels with unfavorable radio reception conditions. - Qualifying scientific work on manuscript rights. Thesis for Doctor’s of Philosophy degree by specialty 172 "Telecommunications and radio engineering" (17 - Electronics and telecommunications). National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2022. The development of digital communication creates the need to develop highspeed, resource-intensive telecommunication systems and more efficient methods of using frequency resources. The latest communication technologies with the expansion of the scope of their use at the same time with new opportunities and advantages complicate the tasks of synchronization and further processing of data by the receiver. In addition, in channels with unfavorable radio reception conditions, which are characterized by a rapid change in signal parameters due to time dispersion and Doppler broadening of the signal spectrum and unknown characteristics of the transmission channel, situations arise when most modems do not allow to ensure high-quality signal reception. Therefore, a key task in the way of creating new digital radio communication systems is the development of more efficient and more resistant to unfavorable reception conditions of digital synchronization methods. At the same time, the main role is played by systems using phase manipulation of the signal, which are the most common and, accordingly, the most practically important. The concept of unfavorable radio reception conditions, which are most characteristic for signal reception at the so-called "third point" of reception in the tasks of cooperative relaying and radio monitoring is revealed in the dissertation. The basic technologies of multiplexing during the transmission of signals at the physical level in wireless digital communication are considered and the dependence of the choice of the synchronization method on the multiplexing scheme used in a specific communication system is shown. The method of efficient use of the frequency resource due to the use of "Carrier-in-Carrier" technology is considered. A brief analysis and description of known methods of transmission and separation of sum signals using Carrier-in-Carrier technology is carried out. An analytical review of popular methods of identification and demodulation of signals with phase manipulation was conducted, as well as the need for research and development of new identification and synchronization algorithms to meet the needs of modern areas of wireless communication was substantiated. A hybrid method of signal demodulation is proposed, which combines algorithms for direct estimation of signal parameters (feedforward) with further synchronization of parameters according to schemes with feedback. The initial estimation of the offset of the carrier frequency, phase and time delay of the signal is performed on a known unique word. The obtained estimates are then used to initialize the feedback circuits to instantly enter tracking mode. The optimal parameters of loop filters for phasefrequency and time synchronization subsystems were calculated. A comparative simulation of well-known traditional demodulation methods and the hybrid method is performed on the example of signals with phase manipulation, such as QPSK, 8PSK, 16APSK and 32APSK. The obtained results confirm that in conditions of rapid changes in signal parameters, the hybrid algorithm provides the minimum value of the bit error depending on the SNR in comparison with traditional methods, which are based separately on feedback or feedforward synchronization schemes. The proposed hybrid combination of feedback and feedforward algorithms made it possible to apply feedback algorithms to signals with a packet data transmission mode. The considered approach to synchronization can also be used for signals with other types of phase manipulation. Modern frame synchronization algorithms for the DVB-S2 satellite communication standard have been studied. The operation of the frame synchronization subsystem with large carrier frequency offsets of the signal is the main advantage of the differential correlation calculation methods over the classical cross-correlation calculation. The use of differential methods makes it possible to abandon the initial estimate of the carrier frequency offset and speed up the registration of the communication modem. An algorithm with an adaptive threshold is proposed, which is based on the use of differential signal correlation. A feature of the presented method is that with a change in the level of the input signal, the threshold for making a decision also changes adaptively, which allows to abandon the system of automatic power regulation at this stage of signal processing. Comparative modeling of the proposed method of frame synchronization with known methods based on the calculation of differential correlation was carried out, the results of the obtained characteristics of the probability of omission from the signal/noise ratio showed the advantage of the proposed algorithm over known methods. Ways of practical implementation of this algorithm on the FPGA element base are also considered. In particular, an approximating method was used to calculate the module of a complex number, the implementation of which is easily performed on the logic elements of the FPGA crystal without losing the speed of the algorithm as a whole. A new approach to signal demodulation based on particle filtering methods is introduced. Corpuscular (or multi-particle, particle) filtering is an effective means of solving nonlinear and non-Gaussian problems of the theory of statistical evaluation. The main principle of corpuscular filtering is the approximation of the distribution of unknown parameters using a discrete set of particles and their associated weighting factors. A model of the state space of the observation signal is formulated, taking into account the dynamics of updating channel parameters. A comparative analysis with well-known demodulation methods was carried out on the example of signals with phase manipulation. It is shown that with a sufficient number of corpuscles, the demodulation efficiency, namely ensuring the minimum bit error (BER), can be improved by applying corpuscular filtering methods at low signal-to-noise ratios against a background of non-Gaussian noise. A method of detecting the version of the DVB-S2/S2X standard has been developed using the proposed methods of synchronization and decoding of service information of the physical level. Both versions of the standard have almost the same structure at the physical level. The similarity of the signals of the physical level leads, for example, to the fact that if the frequency is incorrectly set, the DVB-S2 receiver can receive a signal of the DVB-S2X standard. The detector consists of frame synchronization systems, a demodulator and a PLSCODE field decoder. The formulas for calculating the PLSCODE bit field and decoding the service information, respectively, are proposed for the DVB-S2 and DVB-S2X broadband notification standards. The presented detector allows to determine to which revision the transmitted signal belongs and to determine the parameters of the frame. A software model of the described method has been developed. Experimental calculations of the ROC curve and the miss detection probability from the signal/noise ratio were performed. The obtained simulation results show the high efficiency of the proposed detection method even with negative signal to noise ratios. Also, the paper proposes a method of identifying signals that are transmitted using Carrier-to-Carrier technology using QPSK modulation. The method is based on the calculation of fourth-order cumulants to detect changes in the shape of the signal constellation, which are characteristic of Carrier-in-Carrier signals. According to the receiver operating characteristic (ROC) methodology, a threshold value for the decision rule is found. It was established that the proposed method provides correct detection of the sum of QPSK signals for a wide range of signal-to-noise ratios, different amplitudes of signals from the sum, and also for different bandwidths of mixed signals. The obtained results indicate the high efficiency of the proposed detection method. The advantage of the proposed detection method over the "radius" method is also shown

Optimal cross layer design for CDMA-SFBC wireless systems

The demand for high speed reliable wireless services has been rapidly growing. Wireless networks have limited resources while wireless channels suffer from fading, interference and time variations. Furthermore, wireless applications have diverse end to end quality of service (QoS) requirements. The aforementioned challenges require the design of spectrally efficient transmission systems coupled with the collaboration of the different OSI layers i.e. cross layer design. To this end, we propose a code division multiple access (CDMA)-space frequency block coded (SFBC) systems for both uplink and downlink transmissions. The proposed systems exploit code, frequency and spatial diversities to improve reception. Furthermore, we derive closed form expressions for the average bit error rate of the proposed systems. In this thesis, we also propose a cross layer resource allocation algorithm for star CDMA-SFBC wireless networks. The proposed resource allocation algorithm assigns base transceiver stations (BTS), antenna arrays and frequency bands to users based on their locations such that their pair wise channel cross correlation is minimized while each user is assigned channels with maximum coherence time. The cooperation between the medium access control (MAC) and physical layers as applied by the optimized resource allocation algorithm improves the bit error rate of the users and the spectral efficiency of the network. A joint cross layer routing and resource allocation algorithm for multi radio CDMA-SFBC wireless mesh networks is also proposed in this thesis. The proposed cross layer algorithm assigns frequency bands to links to minimize the interference and channel estimation errors experienced by those links. Channel estimation errors are minimized by selecting channels with maximum coherence time. On top, the optimization algorithm routes network traffic such that the average end to end packet delay is minimized while avoiding links with high interference and short coherence time. The cooperation between physical, MAC and network layers as applied by the optimization algorithm provides noticeable improvements in average end to end packet delay and success rat