Cramer-Rao Lower Bounds for the Synchronization of UWB Signals

We present Cramér-Rao lower bounds (CRLBs) for the synchronization of UWB signals which should be tight lower bounds for the theoretical performance limits of UWB synchronizers. The CRLBs are investigated for both single-pulse systems and time-hopping systems in AWGN and multipath channels. Insights are given into the relationship between CRLBs for different Gaussian monocycles. An approximation method of the CRLBs is discussed when nuisance parameters exist. CRLBs in multipath channels are studied and formulated for three scenarios depending on the way multipath interference is treated. We find that a larger number of multipaths implies higher CRLBs and inferior performance of the synchronizers, and multipath interference on CRLBs cannot be eliminated completely except in very special cases. As every estimate of time delay could not be perfect, the least influence of the synchronization error on the performance of receivers is quantified

Research on port AGV composite positioning based on UWB/RFID

In recent years, ports in various countries have successively carried out research and application of fully automated terminal. The terminal adopts the "Double car shore bridge + AGV + ARMG" automation process, which is the most widely used and relatively mature fully automated solution. At present, the AGV navigation of the terminal is based on RFID magnetic nail positioning and the accuracy is good. However, nowadays UWB technology has become the most popular technology in ranging and positioning. The research in this work is based on UWB/RFID composite positioning, which is mainly used for the specific localization tasks in the port and it can accurately locate the position of the AGV. This MSc work studies the UWB positioning system first and then researches the traditional 3D positioning algorithm. Importance contribution expressed by 3D TOA localization algorithm. For RFID system, this connection between the reader and the carrier is designed, and the reference tag is buried. At last, data-based on RFID localization algorithm in scene analysis method is adopted for positioning. Secondly, the basis of the composite positioning system is data fusion technology. The most widely used and mature fusion algorithm is the Kalman filter algorithm and Particle filter. Finally, the experimental analysis of UWB and RFID composite positioning system is implemented. The results indicate that UWB and RFID composite positioning system can reduce the cost of the positioning system. Higher positioning accuracy and robustness are characterizing the developed system.Nos últimos anos, portos de vários países realizaram sucessivamente pesquisas e aplicações de terminais totalmente automatizados. O terminal adota o processo de automação "Double car shore bridge + AGV + ARMG", que é a solução totalmente automatizada mais amplamente utilizada e relativamente madura. Atualmente, a navegação AGV do terminal é baseada no posicionamento da etiqueta RFID e a precisão é boa. No entanto, hoje em dia, a tecnologia UWB tornou-se na tecnologia mais popular relativamente ao alcance e posicionamento. A pesquisa neste trabalho é baseada no posicionamento composto por UWB / RFID, usado principalmente para tarefas de localização específicas nos portos, podendo desta forma localizar-se com precisão a posição do AGV. Este projeto de mestrado estuda em primeiro lugar o sistema de posicionamento UWB, e depois um algoritmo tradicional de posicionamento 3D. A contribuição da importância expressa pelo algoritmo de posicionamento “time of arrival” (TOA) 3D foi proposta. Para o sistema de posicionamento RFID, a conexão entre o leitor e a transportadora é projetada e a etiqueta de referência é ocultada. Por fim, o algoritmo de “k-nearest neighbor” baseado numa base de dados e no método de análise de cena é adotado para realizar o posicionamento. Em segundo lugar, a base do sistema de posicionamento composto é a tecnologia de fusão de dados. O algoritmo de fusão mais amplamente utilizado e maduro é o algoritmo de filtro Kalman e o filtro de partículas. Finalmente, é realizada a análise experimental do sistema de posicionamento composto UWB e RFID. Os resultados experimentais mostram que o sistema de posicionamento composto UWB e RFID pode reduzir o custo do sistema de posicionamento. O sistema desenvolvido é caracterizado por uma maior precisão de posicionamento e robustez

Architectures and Novel Functionalities for Optical Access OFDM Networks "Arquitecturas y Nuevas Funcionalidades para Redes OFDM de Acceso Óptico"

En los últimos años ha habido un gran aumento en el despliegue de redes de acceso ópticas de fibra hasta el hogar (FTTH, del inglés fibre-to-the home). FTTH es una solución flexible, una tecnología de acceso de futuro que permite proporcionar tasas de datos del orden de Gbit/s por ususario. Diversos estudios indican que FTTH se convertirá en la diferencia clave entre los operadores más importantes. Además, FTTH es la única tecnolotgía capaz de crear nuevas fuentes de ingresos de aplicaciones de alta velocidad, como por ejemple entretenimiento de alta definición (vído y juegos de alta definición...) Dede el punto de vista del operador, una de las vientajas importantes que proporciona FTTH es que permite una mayor eficiencia operativa en coparción con otras tecnologías de acceso, principalmente por la reducción de costes de mantenimiento y de operación. Además, FTTH reduce los requisitos de los equipos de las centrales. Esta tesis doctoral tiene como ojetivo extender estas ventajas más allá del concepto FTTH mediante la integración de la red óptica de distribución desplegada dentro del hogar así como el enlace radio final de corto o medio alcance inalámbrico. Esto proporciona una arquitctura de red FFTH integrada de extremo a extremo. De este modo, los beneficios de la reducción de costes operativos y mayor eficiencia se extienden hasta el usuario final de la red. En esta tesis doctoral, se propone una arqutectura de acceso integrada óptica-radio basada en la multiplexación por división ortogonal de fecuencia (OFDM, del inglés orthogonal frequency división multiplexing) para proporcionar diferentes servicios al usuario como Internet, teléfono/voz, televisión de lata definición, conexión inalámbrica y seguridad en el hogar. Las señales OFDM se utilizan en muchos estándares inalámbricos como las señales de banda ultraancha (UWB, del inglés ultra-wide band), WiMAX, LTE, WLAN, DVB-T o DAB. Estos formatos aprovechan las características intrínsecas de la modulación OFDM como su mayor inmunidad ante desvanecimiento multi-camino. Esta tesis incluye la propuesta y la demostración experimental de la transmisión simultánea y bi-direccional de señales OFDM multi-estándar en radio-sobre-fibra proporcionando servicios triple-play basados en OFDM como UWB para televisión de alta definición, WiMAX para datos de Internet, y LTE para el servicio telefónico.Morant Perez, M. (2012). Architectures and Novel Functionalities for Optical Access OFDM Networks "Arquitecturas y Nuevas Funcionalidades para Redes OFDM de Acceso Óptico" [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/15076Palanci

Experimental Characterization of System Parameters for Ranging in IEEE 802.15.4a using Energy Detectors

The IEEE 802.15.4a standard for impulse radio ultrawide band (IR-UWB) communication systems defines a ranging scheme which relies on the measurement of the round-trip propagation time of electromagnetic pulses. Accuracy is strongly dependent on the estimation of the timeof-arrival (TOA) of the pulse that is spread in time due to multipath propagation. The major concern therefore is the proper detection of the leading edge. In this work, the ranging capabilities of the standard are analyzed for an energy detector receiver. Emphasis is put on the influence of transmitter and receiver parameters, which are evaluated for a set of measured scenarios. It is shown that sub-meter ranging accuracy can be achieved with fixed parameter settings

Real-time signal detection and classification algorithms for body-centered systems

El principal motivo por el cual los sistemas de comunicación en el entrono corporal se desean con el objetivo de poder obtener y procesar señales biométricas para monitorizar e incluso tratar una condición médica sea ésta causada por una enfermedad o el rendimiento de un atleta. Dado que la base de estos sistemas está en la sensorización y el procesado, los algoritmos de procesado de señal son una parte fundamental de los mismos. Esta tesis se centra en los algoritmos de tratamiento de señales en tiempo real que se utilizan tanto para monitorizar los parámetros como para obtener la información que resulta relevante de las señales obtenidas. En la primera parte se introduce los tipos de señales y sensores en los sistemas en el entrono corporal. A continuación se desarrollan dos aplicaciones concretas de los sistemas en el entorno corporal así como los algoritmos que en las mismas se utilizan. La primera aplicación es el control de glucosa en sangre en pacientes con diabetes. En esta parte se desarrolla un método de detección mediante clasificación de patronones de medidas erróneas obtenidas con el monitor contínuo comercial "Minimed CGMS". La segunda aplicacióin consiste en la monitorizacióni de señales neuronales. Descubrimientos recientes en este campo han demostrado enormes posibilidades terapéuticas (por ejemplo, pacientes con parálisis total que son capaces de comunicarse con el entrono gracias a la monitorizacióin e interpretación de señales provenientes de sus neuronas) y también de entretenimiento. En este trabajo, se han desarrollado algoritmos de detección, clasificación y compresión de impulsos neuronales y dichos algoritmos han sido evaluados junto con técnicas de transmisión inalámbricas que posibiliten una monitorización sin cables. Por último, se dedica un capítulo a la transmisión inalámbrica de señales en los sistemas en el entorno corporal. En esta parte se estudia las condiciones del canal que presenta el entorno corporal para la transmisión de sTraver Sebastiá, L. (2012). Real-time signal detection and classification algorithms for body-centered systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16188Palanci

UWB radio channel and diversity characterization for wireless implanted devices

Las redes de área corporal permiten la interconexión de nodos independientes situados dentro o fuera de la superficie corporal o, incluso, alejados de dicha superficie. En cuanto a las comunicaciones intracorporales, el establecimiento de un enlace robusto con una cápsula endoscópica o con un marcapasos, son ejemplos de los avances tecnológicos conseguidos en las últimas décadas. A pesar de estos desarrollos en asistencia sanitaria, los estándares actuales para este tipo de comunicaciones no permiten conexiones inalámbricas de alta velocidad de transmisión, las cuales son comunes en los servicios actuales de telecomunicaciones. Los sistemas UWB han surgido como potencial candidato para las futuras redes de comunicaciones inalámbricas intracorporales. No obstante, el principal obstáculo de la tecnología UWB para aplicaciones intracorporales es la alta atenuación que sufren las señales transmitidas al atravesar los distintos tejidos corporales, que aumenta drásticamente con el aumento de la frecuencia. Por tanto, es importante una caracterización precisa del canal UWB intracorporal a la hora de validar dicha banda como la adecuada para este propósito.Esta tesis se centra en el análisis de la tecnología UWB para posibilitar comunicaciones intracorporales inalámbricas desde un punto de vista experimental. Para conseguir este objetivo, se ha empleado un novedoso sistema de medidas experimental basado en fantomas en diversos escenarios de propagación intracorporal. De esta forma, se pueden comprobar las pérdidas de propagación en el medio así como la diversidad del canal de una forma fiable. Con el fin de validar los valores obtenidos en el laboratorio, se han comparado y analizado con los obtenidos en un experimento in vivo. Por otro lado, se han diseñado y fabricado nuevas antenas UWB candidatas para comunicaciones intracorporales, empleando técnicas existentes y nuevas de miniaturización y optimización. Finalmente, se han usado técnicas basadas en diversidad para mejorar el rendimiento del canal de propagación en dos escenarios intracorporales diferentes.Wireless Body Area Networks allow the interconnection between independent nodes located either inside or over the body skin or further. Regarding in-body communications, establishing a proper link with a capsule endoscope or with a pacemaker are examples of technological advances achieved in the last decades. In spite of these healthcare developments, current standards for these kind of communications do not allow high data rate wireless connections, which are common in the current telecommunication services. UWB systems have emerged as a potential solution for future wireless in-body communications. Nevertheless, the main drawback of UWB for in-body applications is the high attenuation of human body tissues which increases dramatically with the increment of frequency. Hence, an accurate UWB in-body channel characterization is relevant in order validate UWB frequency band as the best candidate for future networks of implantable nodes. This thesis is devoted to test UWB technology for in-body communications from an experimental point of view. To achieve this goal, a novel spatial phantom-based measurement setup is used in several in-body propagation scenarios. Thus, the losses in the propagation medium and the channel diversity are checked in a reliable way. In order to check the values obtained in laboratory, they are compared and discussed with those obtained in an in vivo experiment. On the other hand, new UWB antenna candidates for inbody communications are designed and manufactured by using typical and new miniaturization and antenna optimization techniques for this purpose. Finally, diversity-based techniques are used to improve the performance of the propagation channel in two different in-body scenarios.Les xarxes d'àrea corporal permeten la interconnexió de nodes independents situats, o bé dins, o bé sobre la pell, o inclús allunyats del propi cos. Pel que fa a les comunicacions intracorporals, l'establiment d'un bon enllaç amb una càpsula endoscòpica o amb un marcapassos, són exemples dels avanços tecnològics aconseguits les darreres dècades. A pesar d'aquests desenvolupaments en assistència sanitària, els estàndards actuals per a aquests tipus de comunicacions no permeten connexions sense fil d'alta velocitat de transmissió, que són habituals als serveis actuals de telecomunicacions. Els sistemes UWB han sorgit com una solució potencial per a les futures comunicacions sense fill intracorporals. No obstant, el principal obstacle de la tecnologia UWB per a les aplicacions intracorporals és l'alta atenuació dels teixits del cos humà, que augmenta dràsticament amb l'increment de freqüència. Per tant, és important una caracterització acurada del canal UWB intracorporal a l'hora de validar la banda de freqüència UWB com a la millor candidata per a les futures xarxes de nodes implantats.Aquesta tesi se centra en l'anàlisi de la tecnologia UWB per a comunicacions intracorporals des d'un punt de vista experimental. Per a aconseguir aquest objectiu s'ha emprat un sistema novedós de mesures experimentals, basat en fantomes, en diversos escenaris de propagació intracorporal. D'aquesta manera es poden comprovar les pèrdues de propagació en el medi i la diversitat del canal d'una forma fiable. Per tal d'avaluar els valors obtinguts al laboratori, s'han comparat i analitzat amb aquells obtinguts en un experiment in vivo. Per altra banda, s'han dissenyat i fabricat noves antenes UWB candidates per a comunicacions intracorporals emprant tècniques típiques i noves de miniaturització i optimització d'antenes per a aquest propòsit. Finalment s'han usat tècniques basades en diversitat per a millorar el rendiment del canal de propagació en dos escenaris intracorporals diferents.Andreu Estellés, C. (2018). UWB radio channel and diversity characterization for wireless implanted devices [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/111836TESI

Design of an Ultra Low Power RFCMOS Transceiver for a Self-Powered IoT Node

In this thesis a transceiver characterized to consume ultra low power based in RFCMOS for a self-powered Internet of Things node is studied and designed. The transceiver consists in a simple Non-Coherent system, which means that the signal is picked up by the receiver based on energy detection, as a result it is one of the simplest existing transceivers once it does not need in the transmitter a complex pulse generator and certainly in the receiver as well. It is composed by an OOK modulator, a pulse generator that will determine the centre frequency and a driver amplifier connected to a 50W antenna for the transmitter. While in the receiver there is as first block a Low Noise Amplifier, a self-mixer that will prepare the signal for the integrator and a comparator working as a energy detector. The UWB transceiver will be able to operate with a centre frequency of 4.5 GHz and a bandwidth of at least 500 MHz. It is critical to notice that the system is consuming a value of 96 mW for the power and accomplishing the power spectrum density -43 dBm/MHz using an OOK modulation technique. The entire system was implemented with standard 130nm CMOS technology