Characterization of causes of signal phase and frequency instability Final report

Characteristic instabilities in phase and frequency errors of reference oscillator

MIMO techniques for higher data rate wireless communications

The demand for higher data rate, higher spectral efficiency and better quality of service in wireless communications is growing fast in the past few years. However, obtaining these requirements become challenging for wireless communication systems due to the problems of channel multi-path fading, higher power loss and power bandwidth limitations. A lot of research interest has been directed towards implementing new techniques in wireless communication systems, such as MIMO an OFDM, to overcome the above mentioned problems. Methods of achieving higher data rate and better spectral efficiency have been dealt with in the thesis. The work comprised three parts; the first part focuses on channel modelling, the second looks at fading mitigation techniques, and the third part deals with adaptive transmission schemes for different diversity techniques. In the first part, we present multiple-input multiple-output (MIMO) space-time geometrical channel model with hyperbolically distributed scatterers (GBHDS) for a macro-cell mobile environment. The model is based on one-ring scattering assumption. This MIMO model provides statistics of the time of arrival (TOA) and direction of arrival (DOA). Our analytical results are validated with measurement data and compared to different geometrical based signal bounce macro-cell (GBSSBM) channel models including Gaussian scatterer density (GSD) channel model, the geometrical based exponential (GBE) channel model. On the other hand, for the same channel model we investigate the analytical methods which capture physical wave and antenna configuration at both ends representing in a matrix form. In the second part, we investigate the proposed channel model using joint frequency and spatial diversity system. . We combine STBC with OFDM to improve the error performance in the fading channels. We consider two different fading scenarios namely frequency selective and time selective fading channels. For the first scenario we propose a new technique to suppress the frequency error offset caused by the motion of mobile (Doppler shift). On the other hand, we examine the performance of STBC-OFDM in time selective macro-cell channel environment. In the last part, we evaluate the spectral efficiency for different receiver diversity namely maximal ratio combiner (MRC), selection combiner (SC), and Hybrid (MRC/SC). We derive closed form expressions for the single user capacity, taking into account the effect of imperfect channel estimation at the receiver. The channel considered is a slowly varying spatially independent flat Rayleigh fading channel. Three adaptive transmission schemes are analysed: 1) optimal power rate and rate adaptation (opra), constant power with optimal rate adaptation (ora), and 3) channel inversion with fixed rate (cifr). Furthermore, we derive analytical results for capacity statistics including moment generating function (MGF), complementary cumulative distribution function (CDF) and probability density function (pdf)

Performance Analysis of Physical Layer Network Coding.

Network coding has emerged as an innovative approach to network operation that can significantly enhance network throughput. The key goal of this thesis is to understand fundamental aspects of physical layer network coding, where network coding is performed at the physical layer. As a simple but typical example of network coding, we consider a network scenario where two users transmit messages through a common channel and the receiver reconstructs the exclusive-or of the two messages. For this channel, we investigate the error exponent which can provide guidelines for the design of e±cient communication systems using network coding. From a practical point of view, we examine the performance of channel codes for this problem. Assuming that each user transmits data using the same low-density parity-check (LDPC) code and each link is an additive white Gaussian noise channel, we evaluate the noise thresholds of LDPC codes via density evolution methods. Other important issues considered in this thesis are related to transmission over fading channels. First, we study the performance of LDPC codes over non-ergodic fading channels. In non-ergodic channels, reliable communication at a constant rate is impossible. Assuming that the fading coe±cient is randomly chosen but fixed during transmission of an LDPC codeword, we derive the outage probability of LDPC-coded systems. We also propose an accurate frequency domain channel estimator based on the Slepian basis expansion. The proposed scheme operates with high accuracy requiring only the knowledge of the maximum delay spread of the channel. Finally, we investigate the capacity achieving input of non-coherent Rayleigh fading channels taking into account power constraints imposed by a non-linear power amplifier. We show that the optimal input is discrete with finite support which indicates that capacity can be computed using finite dimensional optimization.Ph.D.Electrical Engineering: SystemsUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/64791/1/jinhokim_1.pd

Techniques of detection, estimation and coding for fading channels

The thesis describes techniques of detection, coding and estimation, for use in high speed serial modems operating over fading channels such as HF radio and land mobile radio links. The performance of the various systems that employ the above techniques are obtained via computer simulation tests. A review of the characteristics of HF radio channels is first presented, leading to the development of an appropriate channel model which imposes Rayleigh fading on the transmitted signal. Detection processes for a 4.8 kbit/s HF radio modem are then discussed, the emphasis, here, being on variants of the maximum likelihood detector that is implemented by the Viterbi algorithm. The performance of these detectors are compared with that of a nonlinear equalizer operating under the same conditions, and the detector which offers the best compromise between performance and complexity is chosen for further tests. Forward error correction, in the form of trellis coded modulation, is next introduced. An appropriate 8-PSK coded modulation scheme is discussed, and its operation over the above mentioned HF radio modem is evaluated. Performance comparisons are made of the coded and uncoded systems. Channel estimation techniques for fast fading channels akin to cellular land mobile radio links, are next discussed. A suitable model for a fast fading channel is developed, and some novel estimators are tested over this channel. Computer simulation tests are also used to study the feasibility of the simultaneous transmission of two 4-level QAM signals occupying the same frequency band, when each of these signals are transmitted at 24 kbit/s over two independently fading channels, to a single receiver. A novel combined detector/estimator is developed for this purpose. Finally, the performance of the complete 4.8 kbit/s HF radio modem is obtained, when all the functions of detection, estimation and prefiltering are present, where the prefilter and associated processor use a recently developed technique for the adjustment of its tap gains and for the estimation of the minimum phase sampled impulse response

Towards Practical and Secure Channel Impulse Response-based Physical Layer Key Generation

Der derzeitige Trend hin zu “smarten” Geräten bringt eine Vielzahl an Internet-fähigen und verbundenen Geräten mit sich. Die entsprechende Kommunikation dieser Geräte muss zwangsläufig durch geeignete Maßnahmen abgesichert werden, um die datenschutz- und sicherheitsrelevanten Anforderungen an die übertragenen Informationen zu erfüllen. Jedoch zeigt die Vielzahl an sicherheitskritischen Vorfällen im Kontext von “smarten” Geräten und des Internets der Dinge auf, dass diese Absicherung der Kommunikation derzeit nur unzureichend umgesetzt wird. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: so werden essentielle Sicherheitsmaßnahmen im Designprozess mitunter nicht berücksichtigt oder auf Grund von Preisdruck nicht realisiert. Darüber hinaus erschwert die Beschaffenheit der eingesetzten Geräte die Anwendung klassischer Sicherheitsverfahren. So werden in diesem Kontext vorrangig stark auf Anwendungsfälle zugeschnittene Lösungen realisiert, die auf Grund der verwendeten Hardware meist nur eingeschränkte Rechen- und Energieressourcen zur Verfügung haben. An dieser Stelle können die Ansätze und Lösungen der Sicherheit auf physikalischer Schicht (physical layer security, PLS) eine Alternative zu klassischer Kryptografie bieten. Im Kontext der drahtlosen Kommunikation können hier die Eigenschaften des Übertragungskanals zwischen zwei legitimen Kommunikationspartnern genutzt werden, um Sicherheitsprimitive zu implementieren und damit Sicherheitsziele zu realisieren. Konkret können etwa reziproke Kanaleigenschaften verwendet werden, um einen Vertrauensanker in Form eines geteilten, symmetrischen Geheimnisses zu generieren. Dieses Verfahren wird Schlüsselgenerierung basierend auf Kanalreziprozität (channel reciprocity based key generation, CRKG) genannt. Auf Grund der weitreichenden Verfügbarkeit wird dieses Verfahren meist mit Hilfe der Kanaleigenschaft des Empfangsstärkenindikators (received signal strength indicator, RSSI) realisiert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass alle physikalischen Kanaleigenschaften auf einen einzigen Wert heruntergebrochen werden und somit ein Großteil der verfügbaren Informationen vernachlässigt wird. Dem gegenüber steht die Verwendung der vollständigen Kanalzustandsinformationen (channel state information, CSI). Aktuelle technische Entwicklungen ermöglichen es zunehmend, diese Informationen auch in Alltagsgeräten zur Verfügung zu stellen und somit für PLS weiterzuverwenden. In dieser Arbeit analysieren wir Fragestellungen, die sich aus einem Wechsel hin zu CSI als verwendetes Schlüsselmaterial ergeben. Konkret untersuchen wir CSI in Form von Ultrabreitband-Kanalimpulsantworten (channel impulse response, CIR). Für die Untersuchungen haben wir initial umfangreiche Messungen vorgenommen und damit analysiert, in wie weit die grundlegenden Annahmen von PLS und CRKG erfüllt sind und die CIRs sich grundsätzlich für die Schlüsselgenerierung eignen. Hier zeigen wir, dass die CIRs der legitimen Kommunikationspartner eine höhere Ähnlichkeit als die eines Angreifers aufzeigen und das somit ein Vorteil gegenüber diesem auf der physikalischen Schicht besteht, der für die Schlüsselgenerierung ausgenutzt werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der initialen Untersuchung stellen wir dann grundlegende Verfahren vor, die notwendig sind, um die Ähnlichkeit der legitimen Messungen zu verbessern und somit die Schlüsselgenerierung zu ermöglichen. Konkret werden Verfahren vorgestellt, die den zeitlichen Versatz zwischen reziproken Messungen entfernen und somit die Ähnlichkeit erhöhen, sowie Verfahren, die das in den Messungen zwangsläufig vorhandene Rauschen entfernen. Gleichzeitig untersuchen wir, inwieweit die getroffenen fundamentalen Sicherheitsannahmen aus Sicht eines Angreifers erfüllt sind. Zu diesem Zweck präsentieren, implementieren und analysieren wir verschiedene praktische Angriffsmethoden. Diese Verfahren umfassen etwa Ansätze, bei denen mit Hilfe von deterministischen Kanalmodellen oder durch ray tracing versucht wird, die legitimen CIRs vorherzusagen. Weiterhin untersuchen wir Machine Learning Ansätze, die darauf abzielen, die legitimen CIRs direkt aus den Beobachtungen eines Angreifers zu inferieren. Besonders mit Hilfe des letzten Verfahrens kann hier gezeigt werden, dass große Teile der CIRs deterministisch vorhersagbar sind. Daraus leitet sich der Schluss ab, dass CIRs nicht ohne adäquate Vorverarbeitung als Eingabe für Sicherheitsprimitive verwendet werden sollten. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwerfen und implementieren wir abschließend Verfahren, die resistent gegen die vorgestellten Angriffe sind. Die erste Lösung baut auf der Erkenntnis auf, dass die Angriffe aufgrund von vorhersehbaren Teilen innerhalb der CIRs möglich sind. Daher schlagen wir einen klassischen Vorverarbeitungsansatz vor, der diese deterministisch vorhersagbaren Teile entfernt und somit das Eingabematerial absichert. Wir implementieren und analysieren diese Lösung und zeigen ihre Effektivität sowie ihre Resistenz gegen die vorgeschlagenen Angriffe. In einer zweiten Lösung nutzen wir die Fähigkeiten des maschinellen Lernens, indem wir sie ebenfalls in das Systemdesign einbringen. Aufbauend auf ihrer starken Leistung bei der Mustererkennung entwickeln, implementieren und analysieren wir eine Lösung, die lernt, die zufälligen Teile aus den rohen CIRs zu extrahieren, durch die die Kanalreziprozität definiert wird, und alle anderen, deterministischen Teile verwirft. Damit ist nicht nur das Schlüsselmaterial gesichert, sondern gleichzeitig auch der Abgleich des Schlüsselmaterials, da Differenzen zwischen den legitimen Beobachtungen durch die Merkmalsextraktion effizient entfernt werden. Alle vorgestellten Lösungen verzichten komplett auf den Austausch von Informationen zwischen den legitimen Kommunikationspartnern, wodurch der damit verbundene Informationsabfluss sowie Energieverbrauch inhärent vermieden wird

Error performance analysis of cross QAM and space-time labeling diversity for cross QAM.

Doctoral Degrees. University of KwaZulu-Natal, Durban.Abstract available in the PD

Low-Complexity Algorithms for Channel Estimation in Optimised Pilot-Assisted Wireless OFDM Systems

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has recently become a dominant transmission technology considered for the next generation fixed and mobile broadband wireless communication systems. OFDM has an advantage of lessening the severe effects of the frequency-selective (multipath) fading due to the band splitting into relatively flat fading subchannels, and allows for low-complexity transceiver implementation based on the fast Fourier transform algorithms. Combining OFDM modulation with multilevel frequency-domain symbol mapping (e.g., QAM) and spatial multiplexing (SM) over the multiple-input multiple-output (MIMO) channels, can theoretically achieve near Shannon capacity of the communication link. However, the high-rate and spectrumefficient system implementation requires coherent detection at the receiving end that is possible only when accurate channel state information (CSI) is available. Since in practice, the response of the wireless channel is unknown and is subject to random variation with time, the receiver typically employs a channel estimator for CSI acquisition. The channel response information retrieved by the estimator is then used by the data detector and can also be fed back to the transmitter by means of in-band or out-of-band signalling, so the latter could adapt power loading, modulation and coding parameters according to the channel conditions. Thus, design of an accurate and robust channel estimator is a crucial requirement for reliable communication through the channel, which is selective in time and frequency. In a MIMO configuration, a separate channel estimator has to be associated with each transmit/receive antenna pair, making the estimation algorithm complexity a primary concern. Pilot-assisted methods, relying on the insertion of reference symbols in certain frequencies and time slots, have been found attractive for identification of the doubly-selective radio channels from both the complexity and performance standpoint. In this dissertation, a family of the reduced-complexity estimators for the single and multiple-antenna OFDM systems is developed. The estimators are based on the transform-domain processing and have the same order of computational complexity, irrespective of the number of pilot subcarriers and their positioning. The common estimator structure represents a cascade of successive small-dimension filtering modules. The number of modules, as well as their order inside the cascade, is determined by the class of the estimator (one or two-dimensional) and availability of the channel statistics (correlation and signal-to-noise power ratio). For fine precision estimation in the multipath channels with statistics not known a priori, we propose recursive design of the filtering modules. Simulation results show that in the steady state, performance of the recursive estimators approaches that of their theoretical counterparts, which are optimal in the minimum mean square error (MMSE) sense. In contrast to the majority of the channel estimators developed so far, our modular-type architectures are suitable for the reconfigurable OFDM transceivers where the actual channel conditions influence the decision of what class of filtering algorithm to use, and how to allot pilot subcarrier positions in the band. In the pilot-assisted transmissions, channel estimation and detection are performed separately from each other over the distinct subcarrier sets. The estimator output is used only to construct the detector transform, but not as the detector input. Since performance of both channel estimation and detection depends on the signal-to-noise power vi ratio (SNR) at the corresponding subcarriers, there is a dilemma of the optimal power allocation between the data and the pilot symbols as these are conflicting requirements under the total transmit power constraint. The problem is exacerbated by the variety of channel estimators. Each kind of estimation algorithm is characterised by its own SNR gain, which in general can vary depending on the channel correlation. In this dissertation, we optimise pilot-data power allocation for the case of developed low-complexity one and two-dimensional MMSE channel estimators. The resultant contribution is manifested by the closed-form analytical expressions of the upper bound (suboptimal approximate value) on the optimal pilot-to-data power ratio (PDR) as a function of a number of design parameters (number of subcarriers, number of pilots, number of transmit antennas, effective order of the channel model, maximum Doppler shift, SNR, etc.). The resultant PDR equations can be applied to the MIMO-OFDM systems with arbitrary arrangement of the pilot subcarriers, operating in an arbitrary multipath fading channel. These properties and relatively simple functional representation of the derived analytical PDR expressions are designated to alleviate the challenging task of on-the-fly optimisation of the adaptive SM-MIMO-OFDM system, which is capable of adjusting transmit signal configuration (e.g., block length, number of pilot subcarriers or antennas) according to the established channel conditions

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 großen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine große 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 aufwandsgünstige 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 für 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 großes Potential aufweisen. Außerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen Kompromiss zwischen inkohärentem Combining-Verlust und Stabilität gegenüber 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 kostengünstigen 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 großen 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 große 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.● 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.● 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.● 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).● 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

Multipath Propagation, Mitigation and Monitoring in the Light of Galileo and the Modernized GPS

Among the numerous potential sources of GNSS signal degradation, multipath takes on a prominent position. Unlike other errors like ionospheric or tropospheric path delays which can be modeled or significantly reduced by differential techniques, multipath influences cannot be mitigated by such approaches. Although a lot of multipath mitigation techniques have been proposed and developed in the past among them many receiver internal approaches using special signal processing algorithms multipath (especially multipath with small geometric path delays) still remains a major error source. This is why multipath has been a major design driver for the definition of the Galileo signal structure carried out in the past years and the subsequent signal optimization activities. This thesis tries to provide a broad and comprehensive insight into various aspects of multipath propagation, mitigation and monitoring (without claiming to be exhaustive). It contains an overview of the most important aspects of multipath propagation, including the discussion of different types of multipath signals (e.g. specular vs. diffuse multipath, satellite vs. receiver multipath or hardware-induced multipath), typical characteristics such as periodic signal variations whose frequency depends on the satellite-antenna-reflector geometry and the impact on the signal tracking process within a GNSS receiver. A large part of this thesis is dedicated to aspects of multipath mitigation, first providing a summary of the most common multipath mitigation techniques with a special focus on receiver-internal approaches such as the narrow correlation technique, double-delta correlator implementations, the Early-Late Slope (ELS) technique or Early/Early tracking implementations. However, other mitigation approaches such as using arrays of closely spaced antennas or multipath-limiting antennas are discussed as well. Some of these techniques are used for subsequent multipath performance analyses considering signals of the (modernized) GPS and Galileo. These analyses base on a new methodology to estimate typical and meaningful multipath errors making use of multipath error envelopes that are scaled in a suitable way to account for different multipath environments. It will be shown that typical (mean) multipath errors can be derived from these scaled envelopes by computation of the envelopes running average and that these mean multipath errors are of the same order as multipath errors obtained from complex statistical channel models. Another part of this thesis covers various aspects of multipath detection and monitoring. First, current techniques for multipath detection and monitoring are described and discussed with respect to their benefits and drawbacks or their real-time capability. Among the considered approaches are techniques like code minus carrier monitoring, SNR monitoring, the use of differenced observations or spectral and wavelet analysis. Following this introductory overview, a completely new approach for real-time multipath monitoring by processing multi-correlator observations will be introduced. Previously being used primarily for the detection of Evil Waveforms (signal failures that originate from a malfunction of the satellites signal generation and transmission hardware), the same basic observations (linear combinations of correlator outputs) can be used for the development of a multi-correlator-based real-time multipath monitoring system. The objective is to provide the user with instant information whether or not a signal is affected by multipath. The proposed monitoring scheme has been implemented in the form of a Matlab-based software called RTMM (Real-Time Multipath Monitor) which has been used to verify the monitoring approach and to determine its sensitivity.Die Qualität eines Satellitensignals wird durch eine Vielzahl potenzieller Fehlerquellen negativ beeinflusst. Neben atmosphärischen Einflüssen tragen Mehrwegeeinflüsse einen wesentlichen Anteil zum Gesamtfehlerbudget der Satellitennavigation bei. Während eine ganze Reihe von Fehlereinflüssen durch geeignete Modellierung oder differenzielle Verfahren deutlich reduziert werden können, ist dies durch die räumliche Dekorrelation der Mehrwegeeffekte nicht möglich. Obwohl in der Vergangenheit eine Vielzahl von Verfahren zur Mehrwegereduzierung vorgeschlagen und entwickelt wurden, stellen Mehrwegesignale noch immer eine wesentliche, stets zu berücksichtigende Fehlerquelle dar. Aus diesem Grund spielten die zu erwartenden Mehrwegefehler auch eine sehr wichtige Rolle im Zuge der Definition sowie der Optimierung der Galileo-Signalstruktur und können somit als wesentliches Design-Kriterium angesehen werden. Die vorliegende Arbeit gibt einen umfassenden Einblick in verschiedene Aspekte der Mehrwegeausbreitung, -reduzierung sowie der Detektion und der Überwachung auftretender Mehrwegeeffekte. Die Arbeit beschreibt zunächst die wichtigsten Aspekte der Mehrwegeausbreitung, wobei beispielsweise unterschiedliche Arten von Reflexionen oder unterschiedliche Entstehungsarten ebenso diskutiert werden wie typische Auswirkungen von Mehrwegesignalen wie die Entstehung periodischer Signalvariationen. Solche Signalvariationen sind in starkem Maße abhängig von der durch die Satellitenposition, dem Antennenstandpunkt und der Lage des Reflexionspunktes definierten Geometrie. Die Frequenz dieser Signalvariationen wird für unterschiedliche geometrische Verhältnisse berechnet. Zudem werden der Einfluss bzw. die Auswirkungen einer Mehrwegeausbreitung auf den Signalverarbeitungsprozess in einem GNSS Empfänger aufgezeigt. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bilden die derzeit gebräuchlichen Methoden zur Reduzierung von Mehrwegeeinflüssen. Dabei werden zunächst die wichtigsten empfängerinternen Ansätze vorgestellt. Aber auch Methoden wie die Verwendung von Antennenarrays oder spezieller Antennen bleiben nicht unberücksichtigt. Einige dieser Methoden bilden im Folgenden die Grundlage für die Bestimmung von typischen Mehrwegefehlern. Dazu wird eine neuartige Methodik vorgestellt, um aus Hüllkurven des Mehrwegefehlers aussagekräftige mittlere Mehrwegefehler zu bestimmen. Hierzu werden die Hüllkurven mit Hilfe einiger aus statistischen Kanalmodellen abgeleiteter Parameter in geeigneter Weise skaliert, um unterschiedlichen Mehrwegeumgebungen Rechnung zu tragen. Es wird gezeigt, dass die mit Hilfe dieser relativ einfachen und effizienten Methode ermittelten Mehrwegefehler in derselben Größenordnung liegen wie die aus komplexen statistischen Kanalmodellen ermittelten Fehler. Einen weiteren Themenkomplex stellen Methoden zur Detektion und zum Monitoring von Mehrwegeeinflüssen dar. Dabei werden zunächst derzeit verwendete Ansätze vorgestellt und hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile sowie hinsichtlich ihrer Echtzeitfähigkeit diskutiert. In Anschluss daran wird ein neuartiger Ansatz zur Detektion und zum Monitoring von Mehrwegesignalen in Echtzeit vorgestellt, der auf der Auswertung von Multikorrelatorbeobachtungen basiert. Ziel dieser Entwicklung ist es, einen potenziellen Nutzer sofort darüber informieren zu können, wenn ein Signal mit Mehrwegefehlern behaftet ist. Der vorgeschlagene Ansatz wurde in Form einer Matlab-basierten implementiert, welche im Folgenden zur Verifizierung und zur Bestimmung der Empfindlichkeit des Verfahrens verwendet wird