Performance analysis of multiple access chaotic-sequence spread-spectrum communication systems employing parallel interference cancellation detectors

Author name used in this publication: Francis C. M. LauAuthor name used in this publication: Chi K. TseRefereed conference paper2002-2003 > Academic research: refereed > Refereed conference paperVersion of RecordPublishe

Interference mitigation and awareness for improved reliability

Wireless systems are commonly affected by interference from various sources. For example, a number of users that operate in the same wireless network can result in multiple-access interference (MAI). In addition, for ultrawideband (UWB) systems, which operate at very low power spectral densities, strong narrowband interference (NBI) can have significant effects on the communications reliability. Therefore, interference mitigation and awareness are crucial in order to realize reliable communications systems. In this chapter, pulse-based UWB systems are considered, and the mitigation of MAI is investigated first. Then, NBI avoidance and cancelation are studied for UWB systems. Finally, interference awareness is discussed for short-rate communications, next-generation wireless networks, and cognitive radios.Mitigation of multiple-access interference (MAI)In an impulse radio ultrawideband (IR-UWB) communications system, pulses with very short durations, commonly less than one nanosecond, are transmitted with a low-duty cycle, and information is carried by the positions or the polarities of pulses [1-5]. Each pulse resides in an interval called frame, and the positions of pulses within frames are determined according to time-hopping (TH) sequences specific to each user. The low-duty cycle structure together with TH sequences provide a multiple-access capability for IR-UWB systems [6].Although IR-UWB systems can theoretically accommodate a large number of users in a multiple-access environment [2, 4], advanced signal processing techniques are necessary in practice in order to mitigate the effects of interfering users on the detection of information symbols efficiently [6]. © Cambridge University Press 2011

On Efficient Signal Processing Algorithms for Signal Detection and PAPR Reduction in OFDM Systems

The driving force of the study is susceptibility of LS algorithm to noise. As LS algorithm is simple to implement, hence it’s performance improvement can contribute a lot to the wireless technology that are especially deals with high computation. Cascading of AdaBoost algorithm with LS greatly influences the OFDM system performance. Performance of Adaptive Boosting based symbol recovery was investigated on the performance of LS, MMSE, BLUE were also compared with the performance of AdaBoost algorithm and MMSE has been found the higher computational complexity. Furthermore, MMSE also requires apriori channel statistics and computational complexity O(5N3) of the MMSE increases exponentially as the number of carrier increases. For the Adaboost case the computational complexity calculation is little different.Therefore, in the training stage of the AdaBoost algorithm, the computational complexity is only O(nT M) Furthermore, as it is a classification algorithm so in the receiver side we will require a separate de-mapper (or decoder) to get the desired data bits, i.e., a. SAS aided DCT based PAPR reduction 1326 and b. SAS aided DCT based PAPR reduction. A successive addition subtraction preprocessed DCT based PAPR reduction technique was proposed. Here, the performance of proposed method was compared with other preexisting techniques like SLM and PTS and the performance of the proposed method was seen to outperform specially in low PAPR region. In the proposed PAPR reduction method, the receiver is aware of the transmitted signal processing, this enables a reverse operation at the receiver to extract the transmit data. Hence the requirement of sending extra information through extra subcarrier is eliminated. The proposed method is also seen to be spectrally efficient. In the case of PTS and SLM it is inevitable to send the side information to retrieve the transmit signal. Hence, these two methods are spectrally inefficient. Successive addition subtraction based PAPR reduction method was also applied to MIMO systems. The performance of the SAS based PAPR reduction method also showed better performance as compared to other technique. An extensive simulation of MIMO OFDM PAPR reduction was carried out by varying the number of subcarriers and number of transmitter antennas. A detailed computational complexity analysis was also carried out. BATE aided SDMA multi user detection. A detailed study of SDMA system was carried out with it’s mathematical analysis.Many linear and non linear detectors like ML, MMSE, PIC, SIC have been proposed in literature for multiuser detection of SDMA system. However, except MMSE every receivers other are computational extensive. So as to enhance the performance of the MMSE MUD a meta heuristic Bat algorithm was incorporated in cascade with MMSE

Visible Light Communication (VLC)

Visible light communication (VLC) using light-emitting diodes (LEDs) or laser diodes (LDs) has been envisioned as one of the key enabling technologies for 6G and Internet of Things (IoT) systems, owing to its appealing advantages, including abundant and unregulated spectrum resources, no electromagnetic interference (EMI) radiation and high security. However, despite its many advantages, VLC faces several technical challenges, such as the limited bandwidth and severe nonlinearity of opto-electronic devices, link blockage and user mobility. Therefore, significant efforts are needed from the global VLC community to develop VLC technology further. This Special Issue, “Visible Light Communication (VLC)”, provides an opportunity for global researchers to share their new ideas and cutting-edge techniques to address the above-mentioned challenges. The 16 papers published in this Special Issue represent the fascinating progress of VLC in various contexts, including general indoor and underwater scenarios, and the emerging application of machine learning/artificial intelligence (ML/AI) techniques in VLC

Multiuser detection employing recurrent neural networks for DS-CDMA systems.

Thesis (M.Sc.Eng.)-University of KwaZulu-Natal, 2006.Over the last decade, access to personal wireless communication networks has evolved to a point of necessity. Attached to the phenomenal growth of the telecommunications industry in recent times is an escalating demand for higher data rates and efficient spectrum utilization. This demand is fuelling the advancement of third generation (3G), as well as future, wireless networks. Current 3G technologies are adding a dimension of mobility to services that have become an integral part of modem everyday life. Wideband code division multiple access (WCDMA) is the standardized multiple access scheme for 3G Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). As an air interface solution, CDMA has received considerable interest over the past two decades and a great deal of current research is concerned with improving the application of CDMA in 3G systems. A factoring component of CDMA is multiuser detection (MUD), which is aimed at enhancing system capacity and performance, by optimally demodulating multiple interfering signals that overlap in time and frequency. This is a major research problem in multipoint-to-point communications. Due to the complexity associated with optimal maximum likelihood detection, many different sub-optimal solutions have been proposed. This focus of this dissertation is the application of neural networks for MUD, in a direct sequence CDMA (DS-CDMA) system. Specifically, it explores how the Hopfield recurrent neural network (RNN) can be employed to give yet another suboptimal solution to the optimization problem of MUD. There is great scope for neural networks in fields encompassing communications. This is primarily attributed to their non-linearity, adaptivity and key function as data classifiers. In the context of optimum multiuser detection, neural networks have been successfully employed to solve similar combinatorial optimization problems. The concepts of CDMA and MUD are discussed. The use of a vector-valued transmission model for DS-CDMA is illustrated, and common linear sub-optimal MUD schemes, as well as the maximum likelihood criterion, are reviewed. The performance of these sub-optimal MUD schemes is demonstrated. The Hopfield neural network (HNN) for combinatorial optimization is discussed. Basic concepts and techniques related to the field of statistical mechanics are introduced and it is shown how they may be employed to analyze neural classification. Stochastic techniques are considered in the context of improving the performance of the HNN. A neural-based receiver, which employs a stochastic HNN and a simulated annealing technique, is proposed. Its performance is analyzed in a communication channel that is affected by additive white Gaussian noise (AWGN) by way of simulation. The performance of the proposed scheme is compared to that of the single-user matched filter, linear decorrelating and minimum mean-square error detectors, as well as the classical HNN and the stochastic Hopfield network (SHN) detectors. Concluding, the feasibility of neural networks (in this case the HNN) for MUD in a DS-CDMA system is explored by quantifying the relative performance of the proposed model using simulation results and in view of implementation issues

Millimetre wave quasi-optical signal processing and spread spectrum techniques

The use of quasi-optical techniques for signal processing at millimetre wave frequencies and their application to spread spectrum systems is presented in this thesis. Millimetre waves offer a number of advantages when compared to microwave and optical signals and as a result they are finding an increasing number of applications in the area of communications. Traditionally, millimetre wave research has been centred on scientific and experimental interests. In recent years, however, practical communications systems have been emerging at these frequencies. New technologies are being developed which aim to exploit the potential advantages of millimetric signals and the work undertaken here relates to one particular avenue - that of quasi-optics. This thesis introduces measurement methods for assessing millimetric components and quasi-optical systems, followed by an appraisal of Gunn oscillators and their associated power supplies as suitable signal sources for communications. A type of Gunn oscillator displaying semi-chaotic behaviour is described which may have potential as an inherently broadband source suitable for spread spectrum applications. The application of quasi-optical signal processing methods to a prototype spread spectrum millimetre wave system is presented. The system has been shown to operate satisfactorily in a number of demonstrations. Theoretical models of the quasi-optical circuit show good agreement with experiment and an analysis of the signal-to-noise behaviour predicts the potential receiver performance. Some ideas for future work, building on that presented here, are suggested

Modern optical astronomy: technology and impact of interferometry

The present `state of the art' and the path to future progress in high spatial resolution imaging interferometry is reviewed. The review begins with a treatment of the fundamentals of stellar optical interferometry, the origin, properties, optical effects of turbulence in the Earth's atmosphere, the passive methods that are applied on a single telescope to overcome atmospheric image degradation such as speckle interferometry, and various other techniques. These topics include differential speckle interferometry, speckle spectroscopy and polarimetry, phase diversity, wavefront shearing interferometry, phase-closure methods, dark speckle imaging, as well as the limitations imposed by the detectors on the performance of speckle imaging. A brief account is given of the technological innovation of adaptive-optics (AO) to compensate such atmospheric effects on the image in real time. A major advancement involves the transition from single-aperture to the dilute-aperture interferometry using multiple telescopes. Therefore, the review deals with recent developments involving ground-based, and space-based optical arrays. Emphasis is placed on the problems specific to delay-lines, beam recombination, polarization, dispersion, fringe-tracking, bootstrapping, coherencing and cophasing, and recovery of the visibility functions. The role of AO in enhancing visibilities is also discussed. The applications of interferometry, such as imaging, astrometry, and nulling are described. The mathematical intricacies of the various `post-detection' image-processing techniques are examined critically. The review concludes with a discussion of the astrophysical importance and the perspectives of interferometry.Comment: 65 pages LaTeX file including 23 figures. Reviews of Modern Physics, 2002, to appear in April issu

Security and robustness of a modified parameter modulation communication scheme

Please read the abstract in the section front of this documentThesis (PhD)--University of Pretoria, 2009.Electrical, Electronic and Computer EngineeringUnrestricte

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /