Highly efficient impulse-radio ultra-wideband cavity-backed slot antenna in stacked air-filled substrate integrated waveguide technology

An impulse-radio ultra-wideband (IR-UWB) cavity-backed slot antenna covering the [5.9803; 6.9989] GHz frequency band of the IEEE 802.15.4a-2011 standard is designed and implemented in an air-filled substrate integrated waveguide (AFSIW) technology for localization applications with an accuracy of at least 3 cm. By relying on both frequency and time-domain optimization, the antenna achieves excellent IR-UWB characteristics. In free-space conditions, an impedance bandwidth of 1.92 GHz (or 29.4%), a total efficiency higher than 89%, a front-to-back ratio of at least 12.1 dB, and a gain higher than 6.3 dBi are measured in the frequency domain. Furthermore, a system fidelity factor larger than 98% and a relative group delay smaller than 100 ps are measured in the time domain within the 3 dB beamwidth of the antenna. As a result, the measured time-of-arrival of a transmitted Gaussian pulse, for different angles of arrival, exhibits variations smaller than 100 ps, corresponding to a maximum distance estimation error of 3 cm. Additionally, the antenna is validated in a real-life worst-case deployment scenario, showing that its characteristics remain stable in a large variety of deployment scenarios. Finally, the difference in frequency-and time-domain performance is studied between the antenna implemented in AFSIW and in dielectric filled substrate integrated waveguide (DFSIW) technology. We conclude that DFSIW technology is less suitable for the envisaged precision IR-UWB localization application

Analysis of the IEEE 802.15.4a ultra wideband physical layer through wireless sensor network simulations in OMNET++

Wireless Sensor Networks are the main representative of pervasive computing in large-scale physical environments. These networks consist of a large number of small, wireless devices embedded in the physical world to be used for surveillance, environmental monitoring or other data capture, processing and transfer applications. Ultra wideband has emerged as one of the newest and most promising concepts for wireless technology. Considering all its advantages it seems a likely communication technology candidate for future wireless sensor networks. This paper considers the viability of ultra wideband technology in wireless sensor networks by employing an IEEE 802.15.4a low-rate ultra wideband physical layer model in the OMNET++ simulation environment. An elaborate investigation into the inner workings of the IEEE 802.15.4a UWB physical layer is performed. Simulation experiments are used to provide a detailed analysis of the performance of the IEEE 802.15.4a UWB physical layer over several communication distances. A proposal for a cognitive, adaptive communication approach to optimize for speed and distance is also presented. AFRIKAANS : Draadlose Sensor Netwerke is die hoof verteenwoordiger vir deurdringende rekenarisering in groot skaal fisiese omgewings. Hierdie tipe netwerke bestaan uit ’n groot aantal klein, draadlose apparate wat in die fisiese wêreld ingesluit word vir die doel van bewaking, omgewings monitering en vele ander data opvang, verwerk en oordrag applikasies. Ultra wyeband het opgestaan as een van die nuutste en mees belowend konsepte vir draadlose kommunikasie tegnologie. As al die voordele van dié kommunikasie tegnologie in ag geneem word, blyk dit om ’n baie goeie kandidaat te wees vir gebruik in toekomstige draadlose sensor netwerke. Hierdie verhandeling oorweeg die vatbaarheid van die gebruik van die ultra wyeband tegnologie in draadlose sensor netwerke deur ’n IEEE 802.15.4a lae-tempo ultra wyeband fisiese laag model in die OMNET++ simulasie omgewing toe te pas. ’n Breedvoerige ondersoek word geloots om die fyn binneste werking van die IEEE 802.15.4a UWB fisiese laag te verstaan. Simulasie eksperimente word gebruik om ’n meer gedetaileerde analiese omtrent die werkverrigting van die IEEE 802.15.4a UWB fisiese laag te verkry oor verskillende kommunikasie afstande. ’n Voorstel vir ’n omgewings bewuste, aanpasbare kommunikasie tegniek word bespreek met die doel om die spoed en afstand van kommunikasie te optimiseer.Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2011.Electrical, Electronic and Computer Engineeringunrestricte

A wearable hybrid IEEE 802.15.4-2011 ultra-wideband/inertial sensor platform for ambulatory tracking

Ultra-Wideband (UWB) transceivers and low-cost micro electro mechanical systems (MEMS) based inertial sensors are proving a promising hybrid combination for location specific wearable applications. While several hybrid systems have been proposed to date, current approaches consider inertial sensors and UWB as ad-hoc components working in isolation. As a result issues surrounding extensive infrastructure requirements, synchronization, and limitations associated with the mutual sharing of inertial data have arisen. In an attempt to address such limitations, this paper presents a fully-coupled architecture whereby standardised IEEE 802.15.4-2011 UWB is employed for both ranging and as a mechanism for exchanging inertial data between the nodes of a network. A proof-of-concept system is implemented and tested for a single ambulatory use case scenario. Basic fusion algorithms are employed and the preliminary results show the benefits of a fully-coupled approach when compared with traditional standalone inertial navigation

Ultra Low Power Communication Protocols for UWB Impulse Radio Wireless Sensor Networks

This thesis evaluates the potential of Ultra Wideband Impulse Radio for wireless sensor network applications. Wireless sensor networks are collections of small electronic devices composed of one or more sensors to acquire information on their environment, an energy source (typically a battery), a microcontroller to control the measurements, process the information and communicate with its peers, and a radio transceiver to enable these communications. They are used to regularly collect information within their deployment area, often for very long periods of time (up to several years). The large number of devices often considered, as well as the long deployment durations, makes any manual intervention complex and costly. Therefore, these networks must self-configure, and automatically adapt to changes in their electromagnetic environment (channel variations, interferers) and network topology modifications: some nodes may run out of energy, or suffer from a hardware failure. Ultra Wideband Impulse Radio is a novel wireless technology that, thanks to its extremely large bandwidth, is more robust to frequency dependent propagation effects. Its impulsional nature makes it robust to multipath fading, as the short duration of the pulses leads most multipath components to arrive isolated. This technology should also enable high precision ranging through time of flight measurements, and operate at ultra low power levels. The main challenge is to design a system that reaches the same or higher degree of energy savings as existing narrowband systems considering all the protocol layers. As these radios are not yet widely available, the first part of this thesis presents Maximum Pulse Amplitude Estimation, a novel approach to symbol-level modeling of UWB-IR systems that enabled us to implement the first network simulator of devices compatible with the UWB physical layer of the IEEE 802.15.4A standard for wireless sensor networks. In the second part of this thesis, WideMac, a novel ultra low power MAC protocol specifically designed for UWB-IR devices is presented. It uses asynchronous duty cycling of the radio transceiver to minimize the power consumption, combined with periodic beacon emissions so that devices can learn each other's wake-up patterns and exchange packets. After an analytical study of the protocol, the network simulation tool presented in the first part of the thesis is used to evaluate the performance of WideMac in a medical body area network application. It is compared to two narrowband and an FM-UWB solutions. The protocol stack parameters are optimized for each solution, and it is observed that WideMac combined to UWB-IR is a credible technology for such applications. Similar simulations, considering this time a static multi-hop network are performed. It is found that WideMac and UWB-IR perform as well as a mature and highly optimized narrowband solution (based on the WiseMAC ULP MAC protocol), despite the lack of clear channel assessment functionality on the UWB radio. The last part of this thesis studies analytically a dual mode MAC protocol named WideMac-High Availability. It combines the Ultra Low PowerWideMac with the higher performance Aloha protocol, so that ultra low power consumption and hence long deployment times can be combined with high performance low latency communications when required by the application. The potential of this scheme is quantified, and it is proposed to adapt it to narrowband radio transceivers by combining WiseMAC and CSMA under the name WiseMAC-HA

Algorithms for indoor localization based on IEEE 802.15.4-2011 UWB and inertial sensors

In this thesis, extensive experiments are firstly conducted to characterize the performance of using the emerging IEEE 802.15.4-2011 ultra wideband (UWB) for indoor localization, and the results demonstrate the accuracy and precision of using time of arrival measurements for ranging applications. A multipath propagation controlling technique is synthesized which considers the relationship between transmit power, transmission range and signal-to-noise ratio. The methodology includes a novel bilateral transmitter output power control algorithm which is demonstrated to be able to stabilize the multipath channel, and enable sub 5cm instant ranging accuracy in line of sight conditions. A fully-coupled architecture is proposed for the localization system using a combination of IEEE 802.15.4-2011 UWB and inertial sensors. This architecture not only implements the position estimation of the object by fusing the UWB and inertial measurements, but enables the nodes in the localization network to mutually share positional and other useful information via the UWB channel. The hybrid system has been demonstrated to be capable of simultaneous local-positioning and remote-tracking of the mobile object. Three fusion algorithms for relative position estimation are proposed, including internal navigation system (INS), INS with UWB ranging correction, and orientation plus ranging. Experimental results show that the INS with UWB correction algorithm achieves an average position accuracy of 0.1883m, and gets 83% and 62% improvements on the accuracy of the INS (1.0994m) and the existing extended Kalman filter tracking algorithm (0.5m), respectively

A VHDL-AMS Simulation Environment for an UWB Impulse Radio Transceiver

Ultra-Wide-Band (UWB) communication based on the impulse radio paradigm is becoming increasingly popular. According to the IEEE 802.15 WPAN Low Rate Alternative PHY Task Group 4a, UWB will play a major role in localization applications, due to the high time resolution of UWB signals which allow accurate indirect measurements of distance between transceivers. Key for the successful implementation of UWB transceivers is the level of integration that will be reached, for which a simulation environment that helps take appropriate design decisions is crucial. Owing to this motivation, in this paper we propose a multiresolution UWB simulation environment based on the VHDL-AMS hardware description language, along with a proper methodology which helps tackle the complexity of designing a mixed-signal UWB System-on-Chip. We applied the methodology and used the simulation environment for the specification and design of an UWB transceiver based on the energy detection principle. As a by-product, simulation results show the effectiveness of UWB in the so-called ranging application, that is the accurate evaluation of the distance between a couple of transceivers using the two-way-ranging metho

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

Distance-based sensor node localization by using ultrasound, RSSI and ultra-wideband - A comparision between the techniques

Wireless sensor networks (WSNs) have become one of the most important topics in wireless communication during the last decade. In a wireless sensor system, sensors are spread over a region to build a sensor network and the sensors in a region co-operate to each other to sense, process, filter and routing. Sensor Positioning is a fundamental and crucial issue for sensor network operation and management. WSNs have so many applications in different areas such as health-care, monitoring and control, rescuing and military; they all depend on nodes being able to accurately determine their locations. This master’s thesis is focused on distance-based sensor node localization techniques; Received signal strength indicator, ultrasound and ultra-wideband. Characteristics and factors which affect these distance estimation techniques are analyzed theoretically and through simulation the quality of these techniques are compared in different scenarios. MDS, a centralized algorithm is used for solving the coordinates. It is a set of data analysis techniques that display the structure of distance-like data as a geometrical picture. Centralized and distributed implementations of MDS are also discussed. All simulations and computations in this thesis are done in Matlab. Virtual WSN is simulated on Sensorviz. Sensorviz is a simulation and visualization tool written by Andreas Savvides.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Bayesian Compressive Sensing Approach For Ultra-wideband Channel Estimation

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013Ultra geniş bant dürtü radyosu, kablosuz haberleşme için yeni gelişen bir teknolojidir. Amerika Birleşik Devletleri’nde haberleşme alanında düzenleyici kuruluş olan Federal Haberleşme Komisyonu (FCC) tarafından ultra geniş bant teknolojisiyle ilgili düzenlemeler yapıldıktan sonra öncelikle IEEE 802.15.3 standardı görev grubu, ultra geniş bant dürtü radyolarıyla yüksek hızlı kablosuz kişisel alan ağı uygulamaları için yeni bir fiziksel katman yapısı oluşturulması amacıyla 802.15.3a çalışma grubunu kurmuştur. Ultra geniş bant veri iletiminde iletim uzaklığındaki artış, veri hızında düşüşe neden olur. Bu doğrultuda IEEE 802.15.4 standardı görev grubu, ultra geniş bant dürtü radyolarıyla düşük hızlı fakat iletim uzaklığı daha büyük olan kablosuz kişisel alan ağı uygulamaları için yeni bir fiziksel katman yapısı oluşturulması amacıyla 802.15.4a çalışma grubunu kurmuştur. Bu çalışma grubu, özellikle ortalama bir veri hızı fakat düşük güç tüketimi, karmaşıklık ve maliyet gerektiren sensör ağı uygulamaları gibi uygulamalar üzerinde çalışmalarını yoğunlaştırmıştır. Bu çalışmada IEEE 802.15.4a bünyesindeki çeşitli ultra geniş bant kanal modellerinin kestirimi üzerine odaklanılmıştır. Düşük iletim gücü, düşük maliyetli basit yapı, düz sönümlemeye karşı bağışıklık ve çokyollu bileşenleri iyi bir zaman çözünürlüğüyle ayrı ayrı çözme yeteneği gibi ayırt edici özelliklere sahip olması dolayısıyla ultra geniş bant dürtü radyoları, konumlama, uzaklık belirleme ve düşük veri hızlı uygulamalar için belirlenen kablosuz kişisel alan ağı IEEE 802.15.4a standardının fiziksel katman yapısı olarak seçilmiştir. Ultra geniş bant dürtü radyolarının gerçekleştiriminde karşılaşılan temel zorluklardan biri de kanal kestirimidir. Kanal karakteristikleri hakkında doğru bir bilgiye sahip olmak, haberleşme açısından etkin bir veri iletimi gerçekleştirmek ve sistem performansını artırmak için oldukça önemlidir. Bu nedenle kanal dürtü yanıtı hakkında bilgi edinmek için kanal kestirimi gereklidir. Ultra geniş bant dürtü radyolarının bantgenişliğinin çok fazla olması dolayısıyla, kanal kestiriminde klasik en büyük olabilirlik kestirimcisinin kullanılmasının başlıca dezavantajı, hassas bir kanal kestirimi için Nyquist kriterine göre alıcıdaki örnekleme işleminde çok yüksek örnekleme oranlarına, bir başka ifadeyle çok yüksek hızlı analog-sayısal dönüştürücülere ihtiyaç duyulmasıdır. Bu durum alıcıda devre karmaşıklığının ve maliyetin artmasına neden olur. Yüksek örnekleme oranı gerektiren bu ultra geniş bant kanal kestirimi probleminin üstesinden gelmek için sıkıştırılmış algılama kullanılabilir. Sıkıştırılmış algılama yöntemi, Nyquist oranından önemli ölçüde daha düşük bir örnekleme oranıyla seyrek sinyallerin geri elde edilmesini mümkün kılmaktadır. Seyrek sinyal ifadesi en basit anlamda, bir çok bileşeni sıfır veya sıfıra yakın olan bir başka ifadeyle çok az bileşeni sıfırdan farklı olan sinyaller için kullanılan bir ifadedir. Alıcıda ard arda alınan ultra geniş bant sinyaller kayda değer bir zaman gecikmesiyle alıcıya ulaştığı ve alıcıda ayrı ayrı çözülebildiği için ultra geniş bant çokyollu kanallar için seyrek yapıya sahip olma varsayımı yaygın kabul görmüştür. Ultra geniş bant kanalların bu özelliği nedeniyle sıkıştırılmış algılama yöntemi, yüksek örnekleme oranı probleminin üstesinden gelmek için ultra geniş bant kanal kestiriminde kullanılabilir. Böylece sıkıştırılmış algılama ile alıcının yüksek maliyeti, karmaşıklığı ve güç tüketimi azaltılarak daha basit yapıda bir alıcı, ultra geniş bant sistemde kullanılabilir. Sıkıştırılmış algılama literatüründe, aynı zamanda basis pursuit (BP) olarak da bilinen ℓ1-norm enküçültme ve matching pursuit (MP) olmak üzere seyrek sinyal geri elde ediniminde kullanılan 2 temel algoritma vardır. Literatürde aynı zamanda bu algoritmaların basis pursuit de-noising (BPDN), orthogonal matching pursuit (OMP), stagewise orthogonal matching pursuit (StOMP) ve compressive sampling matching pursuit (CoSaMP) gibi çeşitli türevleri de bulunmaktadır. Son yıllarda Bayes yapının sıkıştırılmış algılama teorisine uygulanmasıyla birlikte, Bayes tabanlı çeşitli sıkıştırılmış algılama algoritmaları, sıkıştırılmış algılama literatürünün bir parçası olmaya başlamıştır. Bu tezde kullanılacak olan Bayes sıkıştırılmış algılama algoritması da bunlardan biridir. Sıkıştırılmış algılamanın bu çeşitli gerçekleştimlerinin arasında Bayes yapının katkısı, ilgili sinyalin istatistiksel özellikleri de göz önünde bulundurulduğundan sinyal geri elde ediniminin iyileştirilmesi açısından önemli bir potansiyel göstermiştir. Bu doğrultuda, Bayes sıkıştırılmış algılama yaklaşımının seyrek ultra geniş bant kanalların kestirimine uygulanması bu çalışma ile gerçekleştirilmiştir. Bu tezde gerçeğe uygun çeşitli ultra geniş bant kanal modelleri için Bayes sıkıştırılmış algılamanın kanal kestirim performansı incelenmiştir. Özellikle Bayes sıkıştırılmış algılama modelini doğrudan etkilediği için analiz açısından önemli olan (i) standartlaştırılmış IEEE 802.15.4a kanal modellerinin seyrek yapılarının, (ii) işaret-gürültü oranı seviyelerinin ve (iii) ölçüm sayısının çeşitli senaryolar için Bayes sıkıştırılmış algılama kanal kestirim performansı üzerindeki etkileri araştırılmış ve bu sonuçlar seyrek sinyal kestirimi için yaygın olarak kullanılan ℓ1-norm enküçültme tabanlı kestirim sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sıkıştırılmış algılama tabanlı ultra geniş bant kanal kestiriminde önemli rol oynayan ultra geniş bant kanalların seyrek yapıya sahip olma varsayımı, kanal ortamları incelenerek doğrulanmalıdır. Bu nedenle tezde, çeşitli kanal ortamlarını modelleyerek oluşturulmuş ve ultra geniş bant araştırma çalışmalarında yaygın olarak kullanılan IEEE 802.15.4a standardı bünyesindeki kanal modeli-1, kanal modeli-2, kanal modeli-5 ve kanal modeli-8 olmak üzere 4 farklı kanal modeli göz önünde bulundurulmuştur. Kısaca bu kanal modellerinin belirgin karakteristikleri özetlenecek olursa: Kanal modeli-1, alıcı verici arasında doğrudan görüşün (LOS) olduğu konut içi ortamı temsil eden ve IEEE 802.15.4a standardı bünyesindeki en seyrek yapıya sahip olan kanal modelidir. Kanal modeli-2, alıcı verici arasında doğrudan görüşün olmadığı (NLOS) konut içi ortamı temsil eden kanal modelidir. Kanal modeli-2 de kanal modeli-1 gibi seyrek yapıya sahiptir fakat kanal modeli-1’e kıyasla daha fazla çokyollu bileşene sahiptir. Kanal modeli-1 ve kanal modeli-2’nin temsil ettikleri ortam, kısa mesafedeki güvenlik ve ölçüm sensörlerinin bulunduğu ev ağları için oldukça önemlidir. Kanal modeli-5, alıcı verici arasında doğrudan görüşün olduğu kapalı olmayan (açık alan) ortamı temsil eden kanal modelidir. Kanal modeli-1 ve kanal modeli-2’ye gore oldukça düşük seyrekliğe sahiptir. Bu kanal modelinde çokyollu bileşenler genellikle birkaç küme halindedir. Kanal modeli-8, alıcı verici arasında doğrudan görüşün olmadığı endüstriyel ortamı temsil eden kanal modelidir. Ortam birçok metal yansıtıcılarla dolu geniş fabrika holleri tarafından karakterize edilir. Böylesi bir ortam çok yoğun şekilde çokyollu bileşenlerin oluşmasına neden olur. Bu sebeple kanal modeli-8, seyrek kanal modeli olarak tanımlanamaz. Dolayısıyla bu 4 kanal modeli içinde en az seyrek yapıya sahip kanal modelidir. Kestirim problemleri analizinde, olabilecek en iyi kestirimci hata performansını belirlemek, performans analizi için önemlidir. Performans alt sınırları da bu en iyi kestirimcinin hata performansını gösterdiği için gerçeklenen kestirimcinin hata performansının değerlendirilmesi açısından önemli bir değerlendirme ölçütüdür. Cramér-Rao alt sınırı yanlı olmayan (unbiased) kestirimciler için yaygın olarak kullanılan bir performans sınırıdır. Gerçekte Cramér-Rao alt sınırı, yanlı olmayan kestirimcilerin toplam varyansı üzerindeki bir alt sınırdır. Bununla birlikte yanlı olmayan kestirimciler için ortalama karesel hata varyansa eşit olduğu için, Cramér-Rao alt sınırı aynı zamanda kestirim hatası üzerindeki bir alt sınırdır. Ancak, bu çalışmada ultra geniş bant kanal kestirimi için önerilen Bayes sıkıştırılmış algılama kestirimcisi, Bayes bir kestirimci olmasının yanı sıra aynı zamanda yanlı (biased) bir kestirimcidir. Dolayısıyla kestirim hatası üzerinde değerlendirme ölçütü olarak bir performans alt sınırı belirlemek, Bayes sıkıştırılmış algılama kestirimcisinin performans analizi açısından önemlidir. Literatürde var olan sonsal (Posterior) Cramér-Rao alt sınırı veya Bayes Cramér-Rao alt sınırı, yanlı olmayan Bayes kestirimcilerin kestirim hatası değil de varyansları üzerindeki bir alt sınırdır. Cramér-Rao alt sınırına ek olarak sonsal Cramér-Rao alt sınırı için Bayes yapıdan dolayı kestirilecek parametre vektörüne ilişkin önsel (prior) olasılık dağılımı da göz önünde bulundurulur. Bu nedenle, bu çalışmada doğrusal yanlılık vektörlerine sahip yanlı Bayes kestirimciler için parameter vektörüne ilişkin önsel olasılık dağılımına ek olarak yanlılık terimi de göz önünde bulundurularak ortalama karesel hata üzerinde bir alt sınır sağlanmış ve bu ortalama karesel hata alt sınırı, gerçeklenen Bayes sıkıştırılmış algılama kestirimcisinin kanal kestirim performansıyla karşılaştırılmıştır. Dahası Bayes sıkıştırılmış algılama ve ℓ1-norm enküçültme yöntemlerinin işlemsel verimliliği büyük-O notasyonundan faydalanılarak işlem sürelerine göre incelenmiştir. Çalışma sonucunda, Bayes sıkıştırılmış algılamanın yüksek işaret-gürültü oranı seviyelerinde yeterli sayıda ölçüm ve seyrek kanal modelleri (kanal modeli-1 ve kanal modeli-2) için ℓ1-norm enküçültme yöntemine kıyasla üstün bir performans sergilediği görülmüştür. Ayrıca ℓ1-norm enküçültme yöntemiyle karşılaştırıldığında, Bayes sıkıştırılmış algılama yönteminin işlemsel olarak daha verimli olduğu sonucu çıkarılmıştır. Bu tezin sonuçları göz önünde bulundurulduğunda, farklı sistem gerçekleştirim durumları için Bayes sıkıştırılmış algılama yöntemi veya ℓ1-norm enküçültme yöntemi diğerinin yerine tercih edilebilir.Ultra-Wideband (UWB) impulse radio (IR) is an emerging technology for wireless communications. Owing to distinguishing properties such as having low transmit power, low-cost simple structure, immunity to flat fading and capability of resolving multipath components individually with good time resolution, UWB-IRs have been selected as the physical layer structure of Wireless Personal Area Network (WPAN) standard IEEE 802.15.4a for location and ranging, and low data rate applications. In the implementation of UWB-IRs, one of the main challenges is the channel estimation. Due to ultra-wide bandwidth of UWB-IRs, the main disadvantage of implementing the conventional maximum likelihood (ML) channel estimator is that very high sampling rates, i.e., very high speed analog-to-digital (A/D) converters are required for precise channel estimation. Reconstruction of sparse signals with a sampling rate significantly lower than Nyquist rate is possible with compressive sensing (CS). Due to the sparse structure of UWB channels, compressive sensing can be used for UWB channel estimation in order to overcome the high-rate sampling problem. Among various implementations of CS, the inclusion of Bayesian framework has shown potential to improve signal recovery as statistical information related to signal parameters is considered. Accordingly, the application of Bayesian CS (BCS) approach to the estimation of sparse UWB channels is considered in this study. In this thesis, the channel estimation performance of BCS is studied for various UWB channel models and noise conditions. Specifically, the effects of (i) sparse structure of standardized IEEE 802.15.4a channel models, (ii) signal-to-noise ratio (SNR) regions, and (iii) number of measurements on the BCS channel estimation performance are investigated, and they are compared to the results of ℓ1-norm minimization based estimation, which is widely used for sparse channel estimation. Furthermore, a lower bound on mean-square error (MSE) is provided for the biased BCS estimator and it is compared with the MSE performance of implemented BCS estimator. Moreover, the computation efficiencies of BCS and ℓ1-norm minimization are investigated in terms of computation time by making use of the big-O notation. The study shows that BCS exhibits superior performance at higher SNR regions for adequate number of measurements and sparser channel models (e.g., CM-1 and CM-2). Furthermore, BCS is found to be computationally more efficient compared to ℓ1-norm minimization. Based on the results of this thesis, the BCS method or the ℓ1-norm minimization method can be preferred over the other one for different system implementation conditions.Yüksek LisansM.Sc