Combinatorial Channel Signature Modulation for Wireless ad-hoc Networks

In this paper we introduce a novel modulation and multiplexing method which facilitates highly efficient and simultaneous communication between multiple terminals in wireless ad-hoc networks. We term this method Combinatorial Channel Signature Modulation (CCSM). The CCSM method is particularly efficient in situations where communicating nodes operate in highly time dispersive environments. This is all achieved with a minimal MAC layer overhead, since all users are allowed to transmit and receive at the same time/frequency (full simultaneous duplex). The CCSM method has its roots in sparse modelling and the receiver is based on compressive sampling techniques. Towards this end, we develop a new low complexity algorithm termed Group Subspace Pursuit. Our analysis suggests that CCSM at least doubles the throughput when compared to the state-of-the art.Comment: 6 pages, 7 figures, to appear in IEEE International Conference on Communications ICC 201

The Poisson multiple access channel

Cover title. "Presented in part at IEEE Info Theory Workshop, June 9-13, Haifa, Israel."Includes bibliographical references (p. 29-32).Research supported by the Laboratory for Information and Decision Systems, Massachusetts Institute of Technology. DAAH04-95-1-0103Lapidoth, A., Shamai, Shlomo (Shitz)

DESIGN AND SYSTEM IMPLEMENTATION OF PULSE POSITION MODULATION (PPM) BASED CODING SYSTEMS

The physical layer or modulation scheme plays a key role in a communication system, where performance features like Bit-Error Rate (BER), bandwidth efficiency and sensitivity are all dependent on the type of modulation scheme used. Currently, there are numerous modulation schemes for any given communication system, requiring the designer to decide which modulation scheme to apply. Many researchers propose different modulation schemes as the optimal for a given system with the aid of mathematical models and equations. However, there is minimal evidence on the practical implementation and testing of difference schemes to fully justify the selection. The scope of this research is to practically analyse, compare and validate the performance of different Pulse Position Modulation (PPM) schemes, where PPM is preferred for modulating and demodulating the signal in optical communications. This work presents, for the first time, practical analysis and comparison of different PPM techniques including Digital PPM (DPPM), Multipulse PPM (MPPM), Offset PPM (OPPM), Dicode (DiPPM) and Duobinary PPM (DuoPPM). The system implementation of these PPM techniques was carried under identical operational system conditions using Hardware-in-loop (HIL) approach, to validate the performance. A visible light communication (VLC) system incorporating a high power commercial 20 W LED was used for the implementation of PPM schemes. An FPGA was used to encode the message into PPM formats and to transmit it over the LED. A comprehensive comparison was performed between several PPM schemes in terms of BER, power estimation and bandwidth utilisation. Additionally, a new modified form of MPPM, called modified MPPM (MPPM64), was proposed in this study, which improves the bandwidth utilisation of the communication system by 14.28%. Furthermore, a new error correction method for OPPM, called Priority Decoding, was proposed to improve the BER of OPPM. Experimentation revealed the improved performance of OPPM by achieving 10 times fewer errors with BER of less than 10-8. A testbench was developed, which enables the user to apply any PPM from the given PPM schemes to a communication system. This testbench can be used to evaluate the performance of the communication system and to find the suitable PPM scheme which will deliver the best performance. Error correction techniques including Parity check and Cyclic Redundancy Check (CRC) were implemented to improve system performance. MPPM64 was implemented with Parity check and CRC achieving 0.4 m in transmission distance at identical transmission speeds when compared with the original scheme. Maximum Likelihood Detection (MLSD) was implemented with DiPPM and DuoPPM, showing 40% and 37.4% theoretical improved performance, respectively. In the practical implementation of MLSD, a 10 times achievement was recorded in BER at 1.5 m, outperforming original DiPPM and DuoPPM schemes. Determining the most appropriate PPM scheme for a VLC or any given system is not straight forward as it depends on many system parameters. However, this work enables the user to identify the most appropriate scheme for any given VLC system. This work enables different system parameters such as BER, transmission distance, power estimation and bandwidth utilization to be taken into account when determining the most appropriate setup. A detailed comparison is shown to guide modulation scheme selection in optical applications based on different parameter limitations

Zur breitbandigen Infrarot-Indoorkommunikation

In der vorliegenden Arbeit wurden die wichtigsten physikalischen Aspekte der drahtlosen IR- Übertragung analysiert; wesentliche Ergebnisse flossen in den Entwurf und den Aufbau einer experimentellen IR-Schnittstelle ein, die bei 16-Mbit/s arbeitet. Der Experimentalaufbau zeigt: Unter der Prämisse sehr einfacher optischer Komponenten ist eine Bitrate von 16-Mbit/s realisierbar, wenn LOS-Verbindungen und vergleichsweise hohe Sendeleistungen akzeptiert werden. Der Aufbau bestätigt damit zuvor gewonnene theoretische Erkenntnisse. Der Entwurf der Schnittstelle wurde nachvollziehbar dargestellt, er verdeutlicht am praktischen Beispiel die wesentlichen Probleme der ungerichteten optischen Übertragung. Aus Sicht des Nutzers hat die flexible Plazierbarkeit eines Endgeräts eine hohe Bedeutung: Im Vergleich zu LOSKonfigurationen treten bei difusen Verbindungen aber neben erhöhten Einbußen durch Mehrwegedispersion auch deutlich höhere Ausbreitungsverluste auf. Dabei ist der Ausbreitungsverlust nicht die eigentliche Schwachstelle der optischen Übertragung, wenn als Referenz die Funkübertragung dient. Denn die difuse Reaktivität vieler Umgebungsmaterialien ist hoch, das haben die eigenen Messungen bestätigt. Das wesentliche Problem der IR- Übertragung ist die schlechte Empfängerempfindlichkeit; im Beispiel wies der optische Detektor einen im Vergleich zum Funkempfänger 46-56 dB niedrigeren Wert auf - letztlich muß dieser Parameter durch einen möglichst geringen Pfadverlust kompensiert werden. Da mit einer difusen Reflexion immer eine hohe Ausdünnung der Signalintensität korrespondiert, sind mit der heutigen Empfängertechnologie keine ökonomischen Lösungen für difuse oder quasidifuse Verbindungen möglich, wenn die Detektorfläche auf wenige cm2 begrenzt bleiben soll. Gerade bei zunehmend kleiner werdenden Endgeräten bzw. der wachsenden Verbreitung von Handhelds ist aber die Einbaugröße von hoher Bedeutung. "Nicht ökonomisch" bezieht sich dabei sowohl auf die notwendigen Herstellungskosten als auch auf die Sendeleistung. Einem leistungseffizienten Modulationsverfahren kommt in Anbetracht der limitierten Empfängerempfindlichkeit eine hohe Bedeutung zu. In diesem Zusammenhang wurde der theoretisch erreichbare Gewinn durch Binärcodierung dargestellt. Es wurde gezeigt, daß sich MPPM-Varianten mit großer Symbollänge dieser theoretischen Grenze immerhin bis auf etwa 3-4 dB nähern. Die tatsächliche Eignung eines Modulations- bzw. Codierverfahrens kann allerdings erst in Zusammenhang mit dessen Eigenschaften bei Übertragung in realen (dispersiven) Kanälen beurteilt werden: Für die experimentelle Schnittstelle zeigte "konventionelles" 4-PPM das ausgewogenste Verhalten. PPM höherer Ordnung verspricht bei ungerichteter Übertragung mit nicht-sektorisierten Komponenten aufgrund einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Mehrwegedispersion keine Vorteile bzgl. der Signalleistung. Optischen Mehrträgerverfahren kommt im Zusammenhang mit der aktuellen Empfängertechnologie dagegen keine relevante praktische Bedeutung zu: Letztlich kann die optische Übertragung aufgrund der großen spektralen Breite der Detektoren nur in geringem Maße von der eigentlichen Größe des optischen Spektrums proftieren. Die Parameter der optischen bzw. optoelektronischen Empfängerkomponenten haben wesentlichen Einfluß auf Gütekriterien wie die mögliche Bitrate (in diesem Zusammenhang wurde gezeigt, wie der Delay-Spread durch den FOV beeinflußt wird) und die schon angesprochene Empfängerempfindlichkeit. Technologische Aspekte zum Empfänger wurden ausführlich diskutiert. Es wurde eine neue Realisierungsmöglichkeit für ein optisches Filter vorgestellt, das in seiner einfachsten Variante einen Leistungsvorteil von ca. 1.5 dB gegenüber einem Farbglasfilter verspricht - bei ähnlichen Kosten. Wird von einer Silizium-Photodiode abgesehen, sind Gewinne von 5-6.5 dB realistisch. Ausführlich wurde auch die Photodiode behandelt, aus deren (quadratischer) Wandlungscharakteristik die prinzipiellen Unterschiede zum Funk resultieren. Avalanche-Photodioden können bei angepaßtem Verstärkerdesign (auch dieser Aspekt wurde sowohl theoretisch als auch am praktischen Beispiel diskutiert) keine Vorteile gegenüber PIN-Photodioden erreichen, weil die Empfängerempüdlichkeit selbst bei Imaging-Receivern durch das Schrotrauschen des Photostroms bestimmt wird. Silizium-Alternativmaterialien für größere Betriebswellenlängen scheitern dagegen zumindest bei großflächigen Dioden an einer zu hohen Kapazität. Überhaupt sind die Parameter einer Photodiode, die für drahtlose Anwendungen eingesetzt werden soll, nicht unmittelbar mit denen einer Diode vergleichbar, die für den faseroptischen Einsatz konzipiert wurde: Durch die große Fläche der Diode muß die Kapazitätä durch eine vergleichsweise hohe Schichtdicke kompensiert werden, die wiederum die Ladungsträgerlaufzeiten negativ beeinflußt. Tatsächlich muß eine Photodiode dem konkreten Anwendungsfall angepaßt werden - das zeigte sich gerade beim Aufbau der Experimentalschnittstelle anhand der zu geringen Grenzfrequenz einer eingesetzten Photodiode. Viele internationale Aktivitäten gelten heute der Untersuchung sektorisierter Sender und Empfänger. Soll die Datenrate der vorliegenden IR-Schnittstelle deutlich erhöht werden, wären zumindest auf der Seite der Basisstation sektorisierte Komponenten angebracht, wenn der abzudeckende Raumbereich beibehalten werden soll. Dabei muß allerdings eine genaue Kosten-Nutzen-Abwägung durchgeführt werden: Nach Ansicht des Autors müssen IR-Produkte letztlich deutlich preiswerter als Funklösungen sein, weil der Nutzer auch einen erheblichen Kompromiß hinsichtlich der Plazierbarkeit und der Störanfälligkeit eingehen muß. An dieser Tatsache wird auch eine im Vergleich zum Funk höhere Datenrate nur wenig ändern. Nach Ansicht des Autors können Verbesserungen vornehmlich auf technologischem Gebiet erreicht werden. Gerade für hoch-sektorisierte Sender und Empfänger sind einfachere Lösungen gefragt. Bei LOS-Verbindungen erspricht vor allem die Sektorisierung der Sender hohe Gewinne bzgl. der Signalleistung | allerdings benotigt ein solcher Sender auch eine Information über die Richtung des anderen Endgeräts. Auch hier fehlen einfache Lösungen. Ein besonders kritischer Punkt ist das optische Filter; ob ein Gewinn von 5-6.5 dB allerdings die Anwendung direkter Mischhalbleiter als Photodiodenmaterial rechtfertigt, kann vom Autor als Nicht-Technologen derzeit nicht mit Klarheit beantwortet werden. Nach Ansicht des Autors wird IR im WLAN-Bereich eine Nischenlösung bleiben. Das Potential liegt vornehmlich in sehr preiswerten Schnittstellen, die dem Nutzer über geringe Entfernungen einen besonders schnellen Datenabgleich zwischen Endgeräten ermöglichen. Evtl. bieten auch Doppellösungen von Funk und IR in einem Gerät Vorteile: Funk garantiert eine hohe Flexibilität, IR eine hohe Datenrate. Dazu muß die IR-Komponente aber klein und preiswert ausfallen

Application of diversity techniques for solving the problems of the effects impurities in optical fibers on the performance of optical systems

We analyzed the methods for reducing the impact of noise and interference, the performance of digital optical IM-DD system. Performances of digital optical telecommunication systems, as well as their improvement, were analyzed using standard criteria for evaluation: outage probability, average probability, channel capacity, and average fading duration. These performance measures are determined on the basis of statistical characteristics of the first and second rows of signal reception and are part of the technical documentation accompanying each of the realized digital optical communication system. Therefore, the closed form of expressions, derived in this dissertation, which can be used to calculate the statistical characteristics of signal reception, represent a significant contribution, in terms of design of digital optical transmission systems. Our analysis is placed on theoretical consideration on so far untreated cases, and therefore the theoretical basis of physical phenomena that affect the transmission through the digital optical systems, well known from the literature, are not further elaborated. We included a procedure for determining the expression for the multidimensional joint probability density distribution with correlated and uncorrelated random variables. The derived expressions have a wide range of applicability and are an excellent basis for further performance analysis of optical digital transmission systems, in terms of correlated channels, as well as the characteristics of the connection by using multiple-input receiver. Their practical use is demonstrated especially in the section that deals λSK optical systems, as well as the part of that processes - the relay optical systems. Improving the transmission reliability and reducing the impact of noise and interference on the performance of digital optical telecommunication systems, with a reduction in power transmission and increasing the distance between the transmitter and receiver, is analyzed through the applying of techniques using spatial diversity reception. The dissertation discussed the various techniques of spatial combining receiving signals from the receiving branches of optical systems, in terms of reducing impact noise and interference. Ratios were formed and interference signals at the entrance combiner branches and under the terms of the previous chapter are determined by the joint probability density of these relationships for all incoming branches and the corresponding joint cumulative probability. Using this statistical feature of the incoming signal and interference are determined and statistical characteristics of signal-to-interference at the output of given combiner, which represents the next significant contribution to the dissertation. The contribution of these derived expressions can be seen from the aspect of using the results obtained for the case of the proposed statistical modeling of the channel model when considering the reduction of the impact of various types of noise and interference, and examination performance enhancements of digital optical telecommunication systems using diversity reception techniques. Specifically, by assigning appropriate values of parameters in the corresponding expressions, which describe the statistical characteristics of the first order of receipt, an analysis of the value of standard measures of performance of optical telecommunication systems, as well as improve their use of spatial diversity techniques, for cases when the communication channel is exposed to various types of interference and noises. Using the derived expressions can be shown to improve all the standard measure of performance of optical telecommunication systems. Also, when transferred unchanged forces the useful signal and interference, and at the same range of connections, get better system performance (lower values of the probability of cancellation, less the value of average bet error probability, lower average fading duration...). Based on these facts can be concluded that the required the outage probability values (ABEP) for the reception, when we apply the described techniques of receipt, in the same range of connections and the same noise power, can achieve the necessary reduction of the useful signal power in transmission, that is, at the same useful signal power, the same level of interference in the channel, the required the outage probability (ASEP) at the reception, when we apply the described techniques of receipt, can be achieved at larger distances from the transmitting terminal