Efficient complementary sequences-based architectures and their application to ranging measurements

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en 2015En las últimas décadas, los sistemas de medición de distancias se han beneficiado de los avances en el área de las comunicaciones inalámbricas. En los sistemas basados en CDMA (Code-Division Multiple-Access), las propiedades de correlación de las secuencias empleadas juegan un papel fundamental en el desarrollo de dispositivos de medición de altas prestaciones. Debido a las sumas ideales de correlaciones aperiódicas, los conjuntos de secuencias complementarias, CSS (Complementary Sets of Sequences), son ampliamente utilizados en sistemas CDMA. En ellos, es deseable el uso de arquitecturas eficientes que permitan generar y correlar CSS del mayor número de secuencias y longitudes posibles. Por el término eficiente se hace referencia a aquellas arquitecturas que requieren menos operaciones por muestra de entrada que con una arquitectura directa. Esta tesis contribuye al desarrollo de arquitecturas eficientes de generación/correlación de CSS y derivadas, como son las secuencias LS (Loosely Synchronized) y GPC (Generalized Pairwise Complementary), que permitan aumentar el número de longitudes y/o de secuencias disponibles. Las contribuciones de la tesis pueden dividirse en dos bloques: En primer lugar, las arquitecturas eficientes de generación/correlación para CSS binarios, derivadas en trabajos previos, son generalizadas al alfabeto multinivel (secuencias con valores reales) mediante el uso de matrices de Hadamard multinivel. Este planteamiento tiene dos ventajas: por un lado el aumento del número de longitudes que pueden generarse/correlarse y la eliminación de las limitaciones de las arquitecturas previas en el número de secuencias en el conjunto. Por otro lado, bajo ciertas condiciones, los parámetros de las arquitecturas generalizadas pueden ajustarse para generar/correlar eficientemente CSS binarios de mayor número de longitudes que con las arquitecturas eficientes previas. En segundo lugar, las arquitecturas propuestas son usadas para el desarrollo de nuevos algoritmos de generación/correlación de secuencias derivadas de CSS que reducen el número de operaciones por muestra de entrada. Finalmente, se presenta la aplicación de las secuencias estudiadas en un nuevo sistema de posicionamiento local basado en Ultra-Wideband y en un sistema de posicionamiento local basado en ultrasonidos

3D Positioning system with optical sensors using encoding techniques

Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y la mejora de los Sistemas de Posicionamiento Locales (LPS) en interiores, los cuales se utilizan en entornos no compatibles con señales GNSS (Global Navigation Satellite Systems) para localizar, seguir y guiar a personas, objetos o vehículos. Se han realizado numerosos estudios para llevar a cabo un sistema de posicionamiento en entornos interiores, donde las personas pasan aproximadamente el 80% de su tiempo. Algunas de las técnicas propuestas emplean diversas señales, como acústicas, de radiofrecuencia, mecánicas u ópticas, entre otras. Por su bajo coste, facilidad de integración en el entorno de trabajo y ausencia de riesgos para la salud, la tecnología óptica es una alternativa viable que ha comenzado a expandirse rápidamente. Esta tesis aporta propuestas que permiten establecer las bases para el desarrollo de un LPS óptico basado en técnicas de codificación y sensores QADA. Se han propuesto dos diseños: un LPS orientado a la privacidad, basado en un conjunto de cuatro LEDs transmisores, aunque fácilmente extensible a más emisores, que actúan como balizas en ubicaciones conocidas y un único sensor QADA que actúa como el receptor a posicionar; y un LPS centralizado basado en un conjunto de transmisores móviles y al menos dos receptores QADA colocados en ubicaciones conocidas. Se han estudiado los módulos transmisor y receptor. En concreto, se propone un esquema de codificación para la emisión del transmisor, que proporciona capacidad de acceso múltiple, así como robustez frente a bajas relaciones señal a ruido y condiciones adversas como los efectos de multicamino y cerca-lejos. Además, para mejorar las prestaciones de la propuesta sin aumentar significativamente el tiempo de emisión, se han analizado diferentes secuencias y sus longitudes, como los códigos LS (Loosely Synchronized) o las secuencias pseudoaleatorias (Kasami). Por otro lado, el módulo receptor está compuesto por un sensor QADA, una apertura cuadrada y una etapa de filtrado para reducir las interferencias no deseadas. El sensor QADA y la apertura se han modelado para, en primer lugar, analizar la influencia de la longitud de la apertura en la linealidad de las ecuaciones de estimación del punto imagen y, en segundo lugar, determinar los parámetros intrínsecos que modelan el receptor (longitud, altura, desalineación y descentrado de la apertura respecto al sensor QADA), de forma que se pueda implementar un algoritmo de calibración para mejorar la precisión del sistema propuesto. El LPS tiene como objetivo estimar la posición 3D de un objeto estático o en movimiento. Para ello, se diseñan varios algoritmos basados en técnicas de triangulación con determinación de ángulos de llegada (AoA) y técnicas homograficas que resuelven el problema de la perspectiva de n puntos (PnP) del sistema pin-hole propuesto. Todas las propuestas han sido verificadas mediante simulaciones y pruebas experimentales en una gran variedad de situaciones: utilizando luz visible o infrarroja, secuencias LS o Kasami, diferentes longitudes de apertura, distintas distancias entre transmisores y receptores, diferentes algoritmos de posicionamiento y varias rotaciones del receptor. Finalmente, las pruebas experimentales han demostrado que es posible posicionar con errores de menos de 5 centímetros

Diseño de estrategias de sincronización y estimación de canal para la mejora de comunicaciones en redes inteligentes de energía

La presente tesis contribuye en el desarrollo de estrategias eficientes de sincronización y estimación de canal para sistemas de comunicaciones por la red eléctrica (Power-Line Communications – PLC), que utilizan modulación multiportadora por división de frecuencias ortogonales (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM). El principal objetivo es disminuir la complejidad asociada respecto a variantes existentes en la literatura, y a su vez mantener un desempeño competitivo. Para ello, se realiza el diseño de un símbolo piloto construido a partir de pares de secuencias complementarias y se definen algoritmos de sincronización y estimación de canal. Se analizan las técnicas de sincronización gruesa por Autocorrelación (AC) y Correlación Cruzada (CC) en sistemas PLC, y se define un algoritmo de sincronización fina y estimación de canal a partir de la reutilización de la CC. La propuesta se evalúa por simulaciones estudiando el efecto en cada etapa de: el canal PLC, el ruido de fondo coloreado y las diversas fuentes de ruido impulsivo. Adicionalmente, se determina la degradación en el desempeño de cada etapa y se proponen soluciones en un escenario con restricción en la cantidad de subportadoras habilitadas para la transmisión del símbolo piloto, al aplicar una máscara espectral de compatibilidad electromagnética.Universidad Nacional de La PlataUniversidad de Alcal

Improved multiple input multiple output blind equalization algorithms for medical implant communication

Medical implant sensor that is used to monitor the human physiology signals is helpful to improve the quality of life and prevent severe result from the chronic diseases. In order to achieve this, the wireless implant communication link that delivers the monitored signal to a multiple antennas external device is an essential portion. However, the existing conventional narrow band Medical Implant Communications System (MICS) has low data rate because of the bandlimited channel is allocated. To improve the data rate in the radio frequency communication, ultra-wide band technology has been proposed. However, the ultra-wide band technology is relatively new and requires living human to be the test subject in order to validate the technology performance. In this condition, the test on the new technology can rise ethical challenge. As a solution, we improve the data rate in the conventional narrow band MICS. The improvement of data rate on the narrow band implies the information bandwidth is larger than the allocated channel bandwidth, and therefore the high frequency components of the information can loss. In this case, the signal suffers the intersymbol-interference (ISI). Instead of that, the multiple antennas external device can receive the signal from other transmitting implant sensor which has the same operating frequency. As a result, the signal is further hampered by co-channel interference (CCI). To recover the signal from the ISI and CCI, multiple-input multiple output (MIMO) blind equalization that has source separation ability can be exploited. Cross-Correlation Constant Modulus Algorithm (CC-CMA) is the conventional MIMO blind equalization algorithm that can suppress ISI and CCI and able to perform source separation. However, CC-CMA has only been analyzed and simulated in the modulation of Phase Shift Keying (PSK). The performance of CC-CMA in multi-modulus modulation scheme such as 4-Pulse-amplitude modulation (PAM) and 16-Quadrature amplitude modulation (QAM), which has higher data rate than PSK, has not been analyzed. Therefore, our work is to analysis and optimize CC-CMA on the multi-modulus modulation scheme. From our analysis, we found that the cost function of CC-CMA is biased cost function. Instead of that, from our simulation, CC-CMA introduces an unexpected shrinking effect whereby the amplitudes of the equalizer outputs have been reduced, especially in multi-modulus modulation scheme. This shrinking effect is not severe in PSK because the decision of a PSK symbol is based on phase, but not amplitude. Unfortunately, this is severe in multi-modulus modulation scheme. To overcome this shrinking effect in multi-modulus modulation scheme, we propose Cross-Independent Constant Modulus Algorithm (CI-CMA). Based on the convergence analysis, we identify the new optimum dispersion value and mixing parameter in CI-CMA. From the simulation results, we confirm that CI-CMA is able to perform equalization and source separation in the multi-modulus modulation scheme. In order to improve the steady state performance of CI-CMA, we perform the steady state mean square error (MSE) analysis of CI-CMA using the energy preservation theorem that was developed by Mai and Sayed in 2001, and our result is more accurate than the previous work. From our analysis, only the reduction in adaptation step size can reduce the steady state MSE, but it is well known that the MSE is indeed a tradeoff with the speed of convergence. Therefore without sacrificing convergence speed, our last effort is to propose hybrid algorithms. The hybrid algorithms are done by combining a new adaptive constant modulus algorithm (ACMA), a decision directed algorithm and a cross-correlation function. From the simulation results, we found that the hybrid algorithms can show low steady state error and thereby improve the reliability of the communication link. The main achievement of this thesis is the discovery of new dispersion value through the convergence analysis

Improved multiple input multiple output blind equalization algorithms for medical implant communication

Medical implant sensor that is used to monitor the human physiology signals is helpful to improve the quality of life and prevent severe result from the chronic diseases. In order to achieve this, the wireless implant communication link that delivers the monitored signal to a multiple antennas external device is an essential portion. However, the existing conventional narrow band Medical Implant Communications System (MICS) has low data rate because of the bandlimited channel is allocated. To improve the data rate in the radio frequency communication, ultra-wide band technology has been proposed. However, the ultra-wide band technology is relatively new and requires living human to be the test subject in order to validate the technology performance. In this condition, the test on the new technology can rise ethical challenge. As a solution, we improve the data rate in the conventional narrow band MICS. The improvement of data rate on the narrow band implies the information bandwidth is larger than the allocated channel bandwidth, and therefore the high frequency components of the information can loss. In this case, the signal suffers the intersymbol-interference (ISI). Instead of that, the multiple antennas external device can receive the signal from other transmitting implant sensor which has the same operating frequency. As a result, the signal is further hampered by co-channel interference (CCI). To recover the signal from the ISI and CCI, multiple-input multiple output (MIMO) blind equalization that has source separation ability can be exploited. Cross-Correlation Constant Modulus Algorithm (CC-CMA) is the conventional MIMO blind equalization algorithm that can suppress ISI and CCI and able to perform source separation. However, CC-CMA has only been analyzed and simulated in the modulation of Phase Shift Keying (PSK). The performance of CC-CMA in multi-modulus modulation scheme such as 4-Pulse-amplitude modulation (PAM) and 16-Quadrature amplitude modulation (QAM), which has higher data rate than PSK, has not been analyzed. Therefore, our work is to analysis and optimize CC-CMA on the multi-modulus modulation scheme. From our analysis, we found that the cost function of CC-CMA is biased cost function. Instead of that, from our simulation, CC-CMA introduces an unexpected shrinking effect whereby the amplitudes of the equalizer outputs have been reduced, especially in multi-modulus modulation scheme. This shrinking effect is not severe in PSK because the decision of a PSK symbol is based on phase, but not amplitude. Unfortunately, this is severe in multi-modulus modulation scheme. To overcome this shrinking effect in multi-modulus modulation scheme, we propose Cross-Independent Constant Modulus Algorithm (CI-CMA). Based on the convergence analysis, we identify the new optimum dispersion value and mixing parameter in CI-CMA. From the simulation results, we confirm that CI-CMA is able to perform equalization and source separation in the multi-modulus modulation scheme. In order to improve the steady state performance of CI-CMA, we perform the steady state mean square error (MSE) analysis of CI-CMA using the energy preservation theorem that was developed by Mai and Sayed in 2001, and our result is more accurate than the previous work. From our analysis, only the reduction in adaptation step size can reduce the steady state MSE, but it is well known that the MSE is indeed a tradeoff with the speed of convergence. Therefore without sacrificing convergence speed, our last effort is to propose hybrid algorithms. The hybrid algorithms are done by combining a new adaptive constant modulus algorithm (ACMA), a decision directed algorithm and a cross-correlation function. From the simulation results, we found that the hybrid algorithms can show low steady state error and thereby improve the reliability of the communication link. The main achievement of this thesis is the discovery of new dispersion value through the convergence analysis

Study of tracking and data acquisition system for the 1990's. Volume 4: TDAS space segment architecture

Tracking and data acquisition system (TDAS) requirements, TDAS architectural goals, enhanced TDAS subsystems, constellation and networking options, TDAS spacecraft options, crosslink implementation, baseline TDAS space segment architecture, and treat model development/security analysis are addressed