Performance study of air interface for broadband wireless packet access

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

A General Framework for Analyzing, Characterizing, and Implementing Spectrally Modulated, Spectrally Encoded Signals

Fourth generation (4G) communications will support many capabilities while providing universal, high speed access. One potential enabler for these capabilities is software defined radio (SDR). When controlled by cognitive radio (CR) principles, the required waveform diversity is achieved via a synergistic union called CR-based SDR. Research is rapidly progressing in SDR hardware and software venues, but current CR-based SDR research lacks the theoretical foundation and analytic framework to permit efficient implementation. This limitation is addressed here by introducing a general framework for analyzing, characterizing, and implementing spectrally modulated, spectrally encoded (SMSE) signals within CR-based SDR architectures. Given orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a 4G candidate signal, OFDM-based signals are collectively classified as SMSE since modulation and encoding are spectrally applied. The proposed framework provides analytic commonality and unification of SMSE signals. Applicability is first shown for candidate 4G signals, and resultant analytic expressions agree with published results. Implementability is then demonstrated in multiple coexistence scenarios via modeling and simulation to reinforce practical utility

Contribution à la conception d'un système de radio impulsionnelle ultra large bande intelligent

Faced with an ever increasing demand of high data-rates and improved adaptability among existing systems, which inturn is resulting in spectrum scarcity, the development of new radio solutions becomes mandatory in order to answer the requirements of these emergent applications. Among the recent innovations in the field of wireless communications,ultra wideband (UWB) has generated significant interest. Impulse based UWB (IR-UWB) is one attractive way of realizing UWB systems, which is characterized by the transmission of sub nanoseconds UWB pulses, occupying a band width up to 7.5 GHz with extremely low power density. This large band width results in several captivating features such as low-complexity low-cost transceiver, ability to overlay existing narrowband systems, ample multipath diversity, and precise ranging at centimeter level due to extremely fine temporal resolution.In this PhD dissertation, we investigate some of the key elements in the realization of an intelligent time-hopping based IR-UWB system. Due to striking resemblance of IR-UWB inherent features with cognitive radio (CR) requirements, acognitive UWB based system is first studied. A CR in its simplest form can be described as a radio, which is aware ofits surroundings and adapts intelligently. As sensing the environment for the availability of resources and then consequently adapting radio’s internal parameters to exploit them opportunistically constitute the major blocks of any CR, we first focus on robust spectrum sensing algorithms and the design of adaptive UWB waveforms for realizing a cognitive UWB radio. The spectrum sensing module needs to function with minimum a-priori knowledge available about the operating characteristics and detect the primary users as quickly as possible. Keeping this in mind, we develop several spectrum sensing algorithms invoking recent results on the random matrix theory, which can provide efficient performance with a few number of samples. Next, we design the UWB waveform using a linear combination of Bsp lines with weight coefficients being optimized by genetic algorithms. This results in a UWB waveform that is spectrally efficient and at the same time adaptable to incorporate the cognitive radio requirements. In the 2nd part of this thesis, some research challenges related to signal processing in UWB systems, namely synchronization and dense multipath channel estimation are addressed. Several low-complexity non-data-aided (NDA) synchronization algorithms are proposed for BPSK and PSM modulations, exploiting either the orthogonality of UWB waveforms or theinherent cyclostationarity of IR-UWB signaling. Finally, we look into the channel estimation problem in UWB, whichis very demanding due to particular nature of UWB channels and at the same time very critical for the coherent Rake receivers. A method based on a joint maximum-likelihood (ML) and orthogonal subspace (OS) approaches is proposed which exhibits improved performance than both of these methods individually.Face à une demande sans cesse croissante de haut débit et d’adaptabilité des systèmes existants, qui à son tour se traduit par l’encombrement du spectre, le développement de nouvelles solutions dans le domaine des communications sans fil devient nécessaire afin de répondre aux exigences des applications émergentes. Parmi les innovations récentes dans ce domaine, l’ultra large bande (UWB) a suscité un vif intérêt. La radio impulsionnelle UWB (IR-UWB), qui est une solution intéressante pour réaliser des systèmes UWB, est caractérisée par la transmission des impulsions de très courte durée, occupant une largeur de bande allant jusqu’à 7,5 GHz, avec une densité spectrale de puissance extrêmement faible. Cette largeur de bande importante permet de réaliser plusieurs fonctionnalités intéressantes, telles que l’implémentation à faible complexité et à coût réduit, la possibilité de se superposer aux systèmes à bande étroite, la diversité spatiale et la localisation très précise de l’ordre centimétrique, en raison de la résolution temporelle très fine.Dans cette thèse, nous examinons certains éléments clés dans la réalisation d'un système IR-UWB intelligent. Nous avons tout d’abord proposé le concept de radio UWB cognitive à partir des similarités existantes entre l'IR-UWB et la radio cognitive. Dans sa définition la plus simple, un tel système est conscient de son environnement et s'y adapte intelligemment. Ainsi, nous avons tout d’abord focalisé notre recherché sur l’analyse de la disponibilité des ressources spectrales (spectrum sensing) et la conception d’une forme d’onde UWB adaptative, considérées comme deux étapes importantes dans la réalisation d'une radio cognitive UWB. Les algorithmes de spectrum sensing devraient fonctionner avec un minimum de connaissances a priori et détecter rapidement les utilisateurs primaires. Nous avons donc développé de tels algorithmes utilisant des résultats récents sur la théorie des matrices aléatoires, qui sont capables de fournir de bonnes performances, avec un petit nombre d'échantillons. Ensuite, nous avons proposé une méthode de conception de la forme d'onde UWB, vue comme une superposition de fonctions B-splines, dont les coefficients de pondération sont optimisés par des algorithmes génétiques. Il en résulte une forme d'onde UWB qui est spectralement efficace et peut s’adapter pour intégrer les contraintes liées à la radio cognitive. Dans la 2ème partie de cette thèse, nous nous sommes attaqués à deux autres problématiques importantes pour le fonctionnement des systèmes UWB, à savoir la synchronisation et l’estimation du canal UWB, qui est très dense en trajets multiples. Ainsi, nous avons proposé plusieurs algorithmes de synchronisation, de faible complexité et sans séquence d’apprentissage, pour les modulations BPSK et PSM, en exploitant l'orthogonalité des formes d'onde UWB ou la cyclostationnarité inhérente à la signalisation IR-UWB. Enfin, nous avons travaillé sur l'estimation du canal UWB, qui est un élément critique pour les récepteurs Rake cohérents. Ainsi, nous avons proposé une méthode d’estimation du canal basée sur une combinaison de deux approches complémentaires, le maximum de vraisemblance et la décomposition en sous-espaces orthogonaux,d’améliorer globalement les performances

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

Contribution to the Rapid Acquisition of Signals for UWB Communication Systems

Ultra Wide-band is a promising technology for future short-range wireless communications with high data rate. In generally, one of the biggest difficult tasks for researchers today is the acquisition task of signals, where they are looking through different tools for getting a good quality of transmission; the phenomenon of multipath always stands up in the front as the first problem to be faced. When we talk about the Ultra Wide Band (UWB) signals, the problem becomes more complicated due to ultrashort impulses duration used by this kind of signals that causes the generation of paths by huge numbers. In this thesis, to address the task mentioned above, the study is subdivided into two aspects. The first one is the UWB channel estimation that we have done to have information about the amplitudes and the delays of the paths. For this purpose, a maximum likelihood method is used to find the amplitudes and the delays estimate using two estimation contexts: Data Aided (DA) and Non-Data-Aided (NDA). In the second aspect, various parameters affecting the acquisition of signals are evaluated. Furthermore, several contributions in the framework of a new strategy based on an Intelligent Controlling System (ICS) are done and detailed in this thesis for the first once. This system is characterised by its flexibility through two techniques, one that allows to users to communicate even with different M-ary PPM levels at the same time. Another technique that gives the flexibility for dealing with the phenomenon of multipath, where this latter is combated through manipulating the modulation’s levels via the ICS to achieve a rapid acquisition of UWB signals

Design of tch-type sequences for communications

This thesis deals with the design of a class of cyclic codes inspired by TCH codewords. Since TCH codes are linked to finite fields the fundamental concepts and facts about abstract algebra, namely group theory and number theory, constitute the first part of the thesis. By exploring group geometric properties and identifying an equivalence between some operations on codes and the symmetries of the dihedral group we were able to simplify the generation of codewords thus saving on the necessary number of computations. Moreover, we also presented an algebraic method to obtain binary generalized TCH codewords of length N = 2k, k = 1,2, . . . , 16. By exploring Zech logarithm’s properties as well as a group theoretic isomorphism we developed a method that is both faster and less complex than what was proposed before. In addition, it is valid for all relevant cases relating the codeword length N and not only those resulting from N = p

Reliable Cognitive Ultra Wideband Communication Systems Under Coexistence Constraints

RÉSUMÉ La croissance rapide des systèmes de communication sans fil et la rareté du spectre ont motivé les industries et les fournisseurs ouvrant dans le domaine de communication sans fil de développer des stratégies et des technologies de communication qui peuvent utiliser efficacement les ressources spectrales. La réutilisation pacifique du spectre sous-licence et sous-utilisé peut être une solution prometteuse pour certaines initiatives en cours telles que la communication mobile à haut débit, la communication machine-à-machine, et la connectivité WiFi. Un des plus gros facteurs qui empêche l'approche de cette réutilisation de fréquences est l'effet d'environnements bruyants sur les dispositifs coexistent dans la même bande de fréquence. Par conséquent, la demande pour une stratégie de coexistence pacifique entre les utilisateurs du spectre, des défis et des questions techniques qu'elle engêndre, motive notre recherche. Il est à noter que dans cette thèse, nous considérons un système pratique appelé MB-OFDM UWB (en anglais multiband orthogonal frequency division multiplexing ultra wideband) pour donner un aperçu pratique de ce concept. Pour atteindre cet objectif, d'abord nous examinons le problème d'interférence des utilisateurs secondaires sur les utilisateurs principaux. A cet effet, tenant compte d'un système secondaire OFDM, nous proposons des méthodes de mise en forme du spectre pour les applications de transmission à antennes simples et multiples. Nous présentons une technique débit-efficace nommée “Enhanced active interference cancellation (E - AIC)qui est en effet capable de créer des encoches ayant des caractéristiques flexibles. Afin de résoudre le problème de dépassement du spectre causé pas la technique classique-AIC, nous utilisons une approche multi-contraintes qui à son tour cause un problème multi-contrainte de minimisation (en anglais multi-constraint minimization problem, MCMP). Cependant, un nouvel algorithme itératif basé sur la technique SVD (en anglais singular value decomposition) est proposé, permettant ainsi de réduire la complexité de la solution de MCMP. Les résultats de simulation obtenus montrent que la technique E-AIC proposée fournit de meilleures performances en termes de suppression des lobes latéraux avec 0 dB de dépassement, moins de complexité de calcul et moins de perte de débit par rapport aux méthodes AIC précédentes. Quant aux antennes multiples, nous proposons deux nouvelles techniques AIC, qui utilisent l'idée principale des approches de sélection d'antennes d'émission (en anglais transmit antenna selection, TAS). Bien que les résultats montrent que les deux techniques permettent la création d'encoche identique, la technique per-tone TAS-AIC a la plus grande efficacité spectrale. Après avoir obtenu une emission sans interférence pour le système MB-OFDM UWB, nous analysons, modélisons et atténuons le bruit impulsif au récepteur MB-OFDM UWB. Pour ce faire, d'abord, nous proposons un cadre analytique qui décrit les principales caractéristiques d'interférence d'un système à ultra large bande et saut temporel (en anglais time-hopping UWB, TH-UWB) niveau de ces paramètres de signalisation. Les résultats montrent que la distribution d'interférence dépend fortement aux paramètres de saut temporel du système TH-UWB.----------ABSTRACT The rapid growth of wireless communication systems along with the radio spectrum's scarcity and regulatory considerations have put the onus on the wireless industries and service providers to develop wireless communication strategies and technologies that can efficiently utilize the spectral resources. Hence, peaceful reuse of underutilized licensed radio frequencies (by secondary users) can be a promising solution for some ongoing initiatives such as mobile broadband, machine-to-machine applications and WiFi connectivity. One of the biggest factors that prevents the spectrum reusing approach to effectively address the spectrum scarcity, is noisy environments result from coexistence of different devices in the same frequency band. Therefore, the request for a peaceful coexistence strategy between spectrum users, which leads to various challenges, and technical issues, motivates our research. It is worth noting that, in this thesis, we consider a practical system called multiband orthogonal frequency division multiplexing ultra wideband (MB-OFDM UWB) as an underlay system to provide a practical insight into this concept. However, all the obtained results and contributions are applicable to other OFDM-based communication systems. Towards this goal, we first investigate the problem of the interference from secondary users to the primary users. For this purpose, considering an OFDM-based secondary communication system, we propose spectrum-shaping methods for single and multiple transmit antennas applications. For single antenna scenario, we present a throughput-efficient enhanced active interference cancellation (E-AIC) technique, which is indeed capable of creating notches with flexible characteristics. In order to address the spectrum overshoot problem of conventional-AIC techniques, we employed a multi-constraint approach, which leads to a multi-constraint minimization problem (MCMP). Hence, a novel iterative singular value decomposition (SVD) based algorithm is proposed to reduce the complexity of the MCMP's solution. The obtained simulation results show that the proposed enhanced-AIC technique provides higher performance in terms of sidelobes suppression with 0 dB overshoot, less computational complexity and less throughput-loss compared to previous constrained-AIC methods. For multiple transmit antennas, we propose two novel AIC techniques employing main ideas behind bulk and per-tone transmit antenna selection (TAS) approaches. Simulation results show that although both techniques provide identical notch creation, the per-tone TAS-AIC technique has higher spectral efficiency