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A Belief Propagation Based Framework for Soft Multiple-Symbol Differential Detection
Soft noncoherent detection, which relies on calculating the \textit{a
posteriori} probabilities (APPs) of the bits transmitted with no channel
estimation, is imperative for achieving excellent detection performance in
high-dimensional wireless communications. In this paper, a high-performance
belief propagation (BP)-based soft multiple-symbol differential detection
(MSDD) framework, dubbed BP-MSDD, is proposed with its illustrative application
in differential space-time block-code (DSTBC)-aided ultra-wideband impulse
radio (UWB-IR) systems. Firstly, we revisit the signal sampling with the aid of
a trellis structure and decompose the trellis into multiple subtrellises.
Furthermore, we derive an APP calculation algorithm, in which the
forward-and-backward message passing mechanism of BP operates on the
subtrellises. The proposed BP-MSDD is capable of significantly outperforming
the conventional hard-decision MSDDs. However, the computational complexity of
the BP-MSDD increases exponentially with the number of MSDD trellis states. To
circumvent this excessive complexity for practical implementations, we
reformulate the BP-MSDD, and additionally propose a Viterbi algorithm
(VA)-based hard-decision MSDD (VA-HMSDD) and a VA-based soft-decision MSDD
(VA-SMSDD). Moreover, both the proposed BP-MSDD and VA-SMSDD can be exploited
in conjunction with soft channel decoding to obtain powerful iterative
detection and decoding based receivers. Simulation results demonstrate the
effectiveness of the proposed algorithms in DSTBC-aided UWB-IR systems.Comment: 14 pages, 12 figures, 3 tables, accepted to appear on IEEE
Transactions on Wireless Communications, Aug. 201
Iterative Interference Cancellation for Time Reversal Division Multiple Access
Time Reversal (TR) has been proposed as a competitive precoding strategy for
low-complexity devices, relying on ultra-wideband waveforms. This transmit
processing paradigm can address the need for low power and low complexity
receivers, which is particularly important for the Internet of Things, since it
shifts most of the communications signal processing complexity to the
transmitter side. Due to its spatio-temporal focusing property, TR has also
been used to design multiple access schemes for multi-user communications
scenarios. However, in wideband time-division multiple access schemes, the
signals received by users suffer from significant levels of inter-symbol
interference as well as interference from uncoordinated users, which often
require additional processing at the receiver side. This paper proposes an
iterative TR scheme that aims to reduce the level of interference in wideband
multi-user settings, while keeping the processing complexity only at the
transmitter side. The performance of the proposed TR-based protocol is
evaluated using analytical derivations. In addition, its superiority over the
conventional Time Reversal Division Multiple Access (TRDMA) scheme is
demonstrated through simulations as well as experimental measurements at
GHz carrier frequency with variable bandwidth values.Comment: 7 pages, 8 figures, published in an IEEE Journa
Ultra Wideband Communications: from Analog to Digital
Ultrabreitband-Signale (Ultra Wideband [UWB]) können einen
signifikanten Nutzen im Bereich drahtloser Kommunikationssysteme haben. Es
sind jedoch noch einige Probleme offen, die durch Systemdesigner und
Wissenschaftler gelöst werden müssen. Ein Funknetzsystem mit einer derart
groĂźen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine groĂźe Anzahl an
Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden
gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie
effektiv zu erfassen. Außerdem ist in vielen Fällen der naheliegende
Ansatz, ein kohärenter Empfänger im Sinne eines signalangepassten Filters
oder eines Korrelators, nicht unbedingt die beste Wahl. In der vorliegenden
Arbeit wird dabei auf die bestehende Problematik und weitere
Lösungsmöglichkeiten eingegangen.
Im ersten Abschnitt geht es um „Impulse Radio UWB”-Systeme mit
niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohärenter Empfänger
zum Einsatz. Inkohärente Signaldetektion stellt insofern einen
vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgĂĽnstige und robuste
Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in Anwendungsfällen
wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte Geräte mit langer
Batterielaufzeit nötigsind. Dies verringert den für die Kanalschätzung
und die Synchronisation nötigen Aufwand, was jedoch auf Kosten der
Leistungseffizienz geht und eine erhöhte Störempfindlichkeit gegenüber
Interferenz (z.B. Interferenz durch mehrere Nutzer oder schmalbandige
Interferenz) zur Folge hat.
Um die Bitfehlerrate der oben genannten Verfahren zu bestimmen, wurde
zunächst ein inkohärenter Combining-Verlust spezifiziert, welcher
auftritt im Gegensatz zu kohärenter Detektion mit Maximum Ratio Multipath
Combining. Dieser Verlust hängt von dem Produkt aus der Länge des
Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab.
Um den Verlust durch inkohärentes Combining zu reduzieren und somit die
Leistungseffizienz des Empfängers zu steigern, werden verbesserte
Combining-Methoden fĂĽr Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger
Empfänger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen
„Integrate and Dump”-Filter implementiert ist, wird für UWB-Systeme
mit Zeit-Hopping gezeigt. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von dünn
besetzten Codes in solchen System diskutiert und bewertet. Des Weiteren
wird eine Regel für die Code-Auswahl vorgestellt, welche die Stabilität
des Systems gegen Mehrnutzer-Störungen sicherstellt und gleichzeitig den
Verlust durch inkohärentes Combining verringert.
Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohärenter
Demodulation. Im Vergleich zum Analogempfänger besitzt ein
Digitalempfänger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von
einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den
Mehrfachzugriffscode kohärent und beschränkt das inkohärente Combining
auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein
schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um
einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewährleisten. Diese Digitaltechnik
macht den Einsatz langer Analogverzögerungen bei differentieller
Demodulation unnötig und ermöglicht viele Arten der digitalen
Signalverarbeitung. Im Vergleich zur Analogtechnik reduziert sie nicht nur
den inkohärenten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stärkere
Resistenz gegenüber Störungen. Dabei werden die Auswirkungen der
Auflösung und der Abtastrate der Analog-Digital-Umsetzung analysiert. Die
Resultate zeigen, dass die verminderte Effizienz solcher
Analog-Digital-Wandler gering ausfällt. Weiterhin zeigt sich, dass im
Falle starker Mehrnutzerinterferenz sogar eine Verbesserung der Ergebnisse
zu beobachten ist. Die vorgeschlagenen Design-Regeln spezifizieren die
Anwendung der Analog-Digital-Wandler und die Auswahl der Systemparameter in
Abhängigkeit der verwendeten Mehrfachzugriffscodes und der Modulationsart.
Wir zeigen, wie unter Anwendung erweiterter Modulationsverfahren die
Leistungseffizienz verbessert werden kann und schlagen ein Verfahren zur
Unterdrückung schmalbandiger Störer vor, welches auf Soft Limiting
aufbaut. Durch die Untersuchungen und Ergebnissen zeigt sich, dass
inkohärente Empfänger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger
Datenrate ein groĂźes Potential aufweisen.
AuĂźerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen
Kompromiss zwischen inkohärentem Combining-Verlust und Stabilität
gegenĂĽber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept
für UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohärente oder inkohärente
Empfänger, welche als UWB-Systeme Frequenz-Hopping nutzen. Der wesentliche
Vorteil hiervon liegt darin, dass die Bandbreite im Basisband sich deutlich
verringert. Mithin ermöglicht dies einfach zu realisierende digitale
Signalverarbeitungstechnik mit kostengĂĽnstigen Analog-Digital-Wandlern.
Dies stellt eine neue Epoche in der Forschung im Bereich drahtloser
Sensorfunknetze dar.
Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts stellt adaptiven Signalverarbeitung
für hohe Datenraten mit „Direct Sequence”-UWB-Systemen in den
Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der groĂźen Anzahl der
empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw.
Intrasymbolinterferenzen. Außerdem kann die Funktionalität des Systems
durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst
werden. Um sie zu eliminieren, wird die „Widely Linear”-Rangreduzierung
benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das
Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr groĂźe
Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate).
Zusätzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung
die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollständig
ausnutzen, was sich in verbesserten Schätzergebnissen widerspiegelt.
Allgemeine kann die Methode der „Widely Linear”-Rangreduzierung auch in
andern Bereichen angewendet werden, z.B. in „Direct
Sequence”-Codemultiplexverfahren (DS-CDMA), im MIMO-Bereich, im Global
System for Mobile Communications (GSM) und beim Beamforming.The aim of this thesis is to investigate key issues encountered in the
design of transmission schemes and receiving techniques for Ultra Wideband
(UWB) communication systems. Based on different data rate applications,
this work is divided into two parts, where energy efficient and robust
physical layer solutions are proposed, respectively.
Due to a huge bandwidth of UWB signals, a considerable amount of multipath
arrivals with various path gains is resolvable at the receiver. For low
data rate impulse radio UWB systems, suboptimal non-coherent detection is a
simple way to effectively capture the multipath energy. Feasible techniques
that increase the power efficiency and the interference robustness of
non-coherent detection need to be investigated. For high data rate direct
sequence UWB systems, a large number of multipath arrivals results in
severe inter-/intra-symbol interference. Additionally, the system
performance may also be deteriorated by multi-user interference and
narrowband interference. It is necessary to develop advanced signal
processing techniques at the receiver to suppress these interferences.
Part I of this thesis deals with the co-design of signaling schemes and
receiver architectures in low data rate impulse radio UWB systems based on
non-coherent detection.â—Ź We analyze the bit error rate performance of
non-coherent detection and characterize a non-coherent combining loss,
i.e., a performance penalty with respect to coherent detection with maximum
ratio multipath combining. The thorough analysis of this loss is very
helpful for the design of transmission schemes and receive techniques
innon-coherent UWB communication systems.â—Ź We propose to use optical
orthogonal codes in a time hopping impulse radio UWB system based on an
analog non-coherent receiver. The “analog” means that the major part of
the multipath combining is implemented by an integrate and dump filter. The
introduced semi-analytical method can help us to easily select the time
hopping codes to ensure the robustness against the multi-user interference
and meanwhile to alleviate the non-coherent combining loss.â—Ź The main
contribution of Part I is the proposal of applying fully digital solutions
in non-coherent detection. The proposed digital non-coherent receiver is
based on a time domain analog-to-digital converter, which has a high speed
but a very low resolution to maintain a reasonable power consumption.
Compared to its analog counterpart, itnot only significantly reduces the
non-coherent combining loss but also offers a higher interference
robustness. In particular, the one-bit receiver can effectively suppress
strong multi-user interference and is thus advantageous in separating
simultaneously operating piconets.The fully digital solutions overcome the
difficulty of implementing long analog delay lines and make differential
UWB detection possible. They also facilitate the development of various
digital signal processing techniques such as multi-user detection and
non-coherent multipath combining methods as well as the use of advanced
modulationschemes (e.g., M-ary Walsh modulation).â—Ź Furthermore, we
present a novel impulse radio UWB system based on frequency hopping, where
both coherent and non-coherent receivers can be adopted. The key advantage
is that the baseband bandwidth can be considerably reduced (e.g., lower
than 500 MHz), which enables low-complexity implementation of the fully
digital solutions. It opens up various research activities in the
application field of wireless sensor networks.
Part II of this thesis proposes adaptive widely linear reduced-rank
techniques to suppress interferences for high data rate direct sequence UWB
systems, where second-order non-circular signals are used. The reduced-rank
techniques are designed to improve the convergence performance and the
interference robustness especially when the received vector contains a
large number of samples (due to a high sampling rate in UWB systems). The
widely linear processing takes full advantage of the second-order
statistics of the non-circular signals and enhances the estimation
performance. The generic widely linear reduced-rank concept also has a
great potential in the applications of other systems such as Direct
Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), Multiple Input Multiple
Output (MIMO) system, and Global System for Mobile Communications (GSM), or
in other areas such as beamforming
Detection of PPM-UWB random signals
This paper focuses on the symbol detection problem of random pulse-position modulation (PPM) ultrawideband (UWB) signals in the absence of interframe interference. Particular attention is devoted to severely time-varying channels where optimal detectors are proposed for both uncorrelated and correlated scattering scenarios. This is done by assuming the received waveforms to be unknown parameters. In UWB communication systems, the assumption of unknown random waveforms is consistent with the fact that the received waveform has very little resemblance with the original transmitted pulse. In order to circumvent this limitation, a conditional approach is presented herein by compressing the likelihood ratio test with the information regarding the second-order moments of the end-to-end channel response. Both full-rank and rank-one detectors are derived. For the reduced complexity rank-one detector, an iterative procedure is presented that maximizes the J-divergence between the hypotheses to be tested. Finally, simulation results are provided to compare the performance of the proposed detectors in different propagation environments.Peer Reviewe
Realization Limits of Impulse-Radio UWB Indoor Localization Systems
In this work, the realization limits of an impulse-based Ultra-Wideband (UWB) localization system for indoor applications have been thoroughly investigated and verified by measurements. The analysis spans from the position calculation algorithms, through hardware realization and modeling, up to the localization experiments conducted in realistic scenarios. The main focus was put on identification and characterization of limiting factors as well as developing methods to overcome them
A Novel DS-UWB Pulses Design Using Genetic Algorithm
[[abstract]]This paper proposes a new pulse design method to improve spectrum utilization rate and reduce the outage probability in ultra wide band (UWB) system. Several third derivative Gaussian waveforms are employed to generate the pulse based on the bandwidth constraint set by the US Federal Communications Commission (FCC) mask. The genetic algorithm (GA) is used to find the optimal pulse parameter. This method is an easy way to achieve in practical circuit implementation compared to one pulse generator, since COMS circuit is hard to produce one pulse with short duration and complex pulse shape. Comparisons with the traditional Gaussian pulse, the synthesis pulse by GA not only satisfy the FCC emission mask but also have high spectrum utilization rate. Simulation results show that the performances in indoor UWB system using the synthesis pulse by GA is better than that using traditional Gaussian pulse. Numerical results show that the synthesis pulse by GA is higher 30 percent of spectrum utilization rate and lower 65 percent of outage probability for the same transmission power, as well as lower 21 percent of outage probability for fixed signal-to-noise ratio (SNR)at the receiver comparing with traditional Gaussian pulse. This proposed method not only use in indoor UWB system but also can extend to different communication system just changing the system object function.[[conferencetype]]ĺś‹éš›[[conferencedate]]20090403~20090405[[iscallforpapers]]Y[[conferencelocation]]Kuala Lumpar, Malaysi
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