Time Delay Estimation from Low Rate Samples: A Union of Subspaces Approach

Time delay estimation arises in many applications in which a multipath medium has to be identified from pulses transmitted through the channel. Various approaches have been proposed in the literature to identify time delays introduced by multipath environments. However, these methods either operate on the analog received signal, or require high sampling rates in order to achieve reasonable time resolution. In this paper, our goal is to develop a unified approach to time delay estimation from low rate samples of the output of a multipath channel. Our methods result in perfect recovery of the multipath delays from samples of the channel output at the lowest possible rate, even in the presence of overlapping transmitted pulses. This rate depends only on the number of multipath components and the transmission rate, but not on the bandwidth of the probing signal. In addition, our development allows for a variety of different sampling methods. By properly manipulating the low-rate samples, we show that the time delays can be recovered using the well-known ESPRIT algorithm. Combining results from sampling theory with those obtained in the context of direction of arrival estimation methods, we develop necessary and sufficient conditions on the transmitted pulse and the sampling functions in order to ensure perfect recovery of the channel parameters at the minimal possible rate. Our results can be viewed in a broader context, as a sampling theorem for analog signals defined over an infinite union of subspaces

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

Timing and Carrier Synchronization in Wireless Communication Systems: A Survey and Classification of Research in the Last 5 Years

Timing and carrier synchronization is a fundamental requirement for any wireless communication system to work properly. Timing synchronization is the process by which a receiver node determines the correct instants of time at which to sample the incoming signal. Carrier synchronization is the process by which a receiver adapts the frequency and phase of its local carrier oscillator with those of the received signal. In this paper, we survey the literature over the last 5 years (2010–2014) and present a comprehensive literature review and classification of the recent research progress in achieving timing and carrier synchronization in single-input single-output (SISO), multiple-input multiple-output (MIMO), cooperative relaying, and multiuser/multicell interference networks. Considering both single-carrier and multi-carrier communication systems, we survey and categorize the timing and carrier synchronization techniques proposed for the different communication systems focusing on the system model assumptions for synchronization, the synchronization challenges, and the state-of-the-art synchronization solutions and their limitations. Finally, we envision some future research directions

A two phase framework for visible light-based positioning in an indoor environment: performance, latency, and illumination

Recently with the advancement of solid state lighting and the application thereof to Visible Light Communications (VLC), the concept of Visible Light Positioning (VLP) has been targeted as a very attractive indoor positioning system (IPS) due to its ubiquity, directionality, spatial reuse, and relatively high modulation bandwidth. IPSs, in general, have 4 major components (1) a modulation, (2) a multiple access scheme, (3) a channel measurement, and (4) a positioning algorithm. A number of VLP approaches have been proposed in the literature and primarily focus on a fixed combination of these elements and moreover evaluate the quality of the contribution often by accuracy or precision alone. In this dissertation, we provide a novel two-phase indoor positioning algorithmic framework that is able to increase robustness when subject to insufficient anchor luminaries and also incorporate any combination of the four major IPS components. The first phase provides robust and timely albeit less accurate positioning proximity estimates without requiring more than a single luminary anchor using time division access to On Off Keying (OOK) modulated signals while the second phase provides a more accurate, conventional, positioning estimate approach using a novel geometric constrained triangulation algorithm based on angle of arrival (AoA) measurements. However, this approach is still an application of a specific combination of IPS components. To achieve a broader impact, the framework is employed on a collection of IPS component combinations ranging from (1) pulsed modulations to multicarrier modulations, (2) time, frequency, and code division multiple access, (3) received signal strength (RSS), time of flight (ToF), and AoA, as well as (4) trilateration and triangulation positioning algorithms. Results illustrate full room positioning coverage ranging with median accuracies ranging from 3.09 cm to 12.07 cm at 50% duty cycle illumination levels. The framework further allows for duty cycle variation to include dimming modulations and results range from 3.62 cm to 13.15 cm at 20% duty cycle while 2.06 cm to 8.44 cm at a 78% duty cycle. Testbed results reinforce this frameworks applicability. Lastly, a novel latency constrained optimization algorithm can be overlaid on the two phase framework to decide when to simply use the coarse estimate or when to expend more computational resources on a potentially more accurate fine estimate. The creation of the two phase framework enables robust, illumination, latency sensitive positioning with the ability to be applied within a vast array of system deployment constraints

Realistic chipless RFID: identification and localization

Für die weitere Massenverbreitung von RFID Systemen ist ein günstiges und genaues Verfahren zur Objektlokalisierung und –verfolgung zwingend erforderlich. Chiplose RFID Systeme erlauben im Gegensatz zu herkömmlichen chipbehafteten RFID Systemen den Einsatz von einfachen, druckbaren RFID Tags, eine Möglichkeit zum Einstieg in die Ära von extrem billigen RFID Tags. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Lösung von drei Herausforderungen bei der Erkennung von chiplosen RFID Tags innerhalb geschlossener Räume. Der erste in der vorliegenden Arbeit diskutierte Aspekt beschäftigt sich mit Methoden zum Eliminieren des Störechos der Umgebung (clutter removal techniques). Im chiplosen RFID System ist das Umgebungsstörecho definiert durch das von der Umgebung reflektierte Signal, das nicht mit dem RFID Tag interagiert. Die Stärke dieses Signals ist in jedem Fall größer als die des vom RFID Tag zurückgestrahlten (backscattered) Signals, was die Signaturerkennung des RFID Tags unmöglich macht. Zur Lösung dieses Problems schlage ich zwei Algorithmen vor. Der erste ist die Leerraum-Kalibrierung (empty room calibration). Bei diesem Algorithmus werden die Messungen mit RFID Tag von denen ohne RFID Tags abgezogen. Der zweite Algorithmus basiert auf dem Rake-Receiver unter Nutzung einer Zufallsfolge (PN sequence), er erfordert keine zusätzliche Kalibrierung. Der zweite Aspekt betrifft die Notch Erkennung und Identifikation, ein sehr wichtiger Bereich des chiplosen RFID Systems. Er ist dafür verantwortlich, die Notchs in Bits umzuwandeln. Für eine effektive Detektion werden Windowing (Fenster) Verfahren vorgeschlagen, wobei jedes Fenster einen oder auch keinen Notch beinhalten kann. Insgesamt drei neue Verfahren zur Notch Erkennung wurden implementiert. Als erstes ein Matched Filter (MF), in dem der einkommende Notch mit einem Referenz Notch verglichen wird. Das zweite Verfahren basiert auf einer gefensterten Singulärwertzerlegung, damit kann sowohl der Notch erkannt werden, als auch seine Bandbreite bestimmt werden. Als drittes Verfahren wird das dynamische Frequency Warping vorgestellt. Diese Technik nutzt nichtlineare um die Notche unddie Frequenzverschiebungen, die an den Notches auftreten, zu erkennen. Als dritter Aspekt wird die Lokalisierung der RFID Tags in dieser Dissertation diskutiert. Dazu werden zwei Algorithmen erklärt und implementiert. Der erste Algorithmus beruht auf der Triangulation durch drei getrennte RFID Lesegeräte, während sich der zweite die Position des RFID Tags aus der Signalstärke und dem Winkel des vom RFID Tag kommenden Signals berechnet. Alle genannten Algorithmen und Verfahren wurden in einer realen Innenraum Testumgebung mit RFID Tags und einer Software Defined Radio (SDR) Plattform vermessen, um die Zuverlässigkeit der Algorithmen unter normalen Bedingungen zu überprüfen.For mass deployment of RFID systems, cheap and accurate item level identification and tracking are profoundly needed. Fortunately, unlike conventional chip-based RFID, chipless RFID systems offers low-cost printable tags holding a better chance to enter the era of penny-cost tags. This dissertation concentrated on solving three challenges in the detection of the chipless tag inside an indoor environment. The first aspect discussed in the thesis are the chipless RFID clutter removal techniques. In chipless RFID the environmental clutter response is defined as the signal reflected from the environment, that does not interact with the tag. This signal has higher power than the backscattered signal from the tag, rendering the tag signature undetectable. Two algorithms to overcome this problem was used, the first is empty room calibration. The first algorithm is based on subtracting the measurement with the tag from the one without. The second algorithm is Rake receiver using PN sequence; this algorithm requires no pre-measurement calibration. The second aspect is notch detection and identification which is a critical part of the chipless system. This part is responsible for converting the notches into bits. For effective detection, a windowing operation is proposed, where each window may contain a notch or not. Three novel techniques are implemented to detect the notch. The first is matched filter were a reference notch is compared with the incoming signal. The second is window based singular value decomposition, where a constellation is created to detect not only the existence of a notch but also the bandwidth of the notch. The third notch detection technique is dynamic frequency warping. This technique utilizes non-linear warping to detect the notch and the frequency shifts that occurs on the notch. The third aspect discussed in the thesis is tag localization. In this aspect, two algorithms are implemented and explained. The first is trilateration which requires three different readers. The second localization algorithm exploits received signal strength and angle of arrival to detect the location of the tag accurately. All the algorithms were tested using a real testbed to validate the reliability of the techniques. The measurements were done using fabricated tags in an indoor environment using Software Defines Radio (SDR)

Wireless Positioning Applications in Multipath Environments

Funklokalisierung in der Umgebung mit der Mehrwegeausbreitung In den vergangenen Jahren wurde zunehmend Forschung im Bereich drahtlose Sensornetzwerk (engl. „Wireless Sensor Network“) betrieben. Lokalisierung im Innenraum ist ein vielversprechendes Forschungsthema, das in den Literaturen vielfältig diskutiert wird. Jedoch berücksichtigen die meisten Arbeiten einen wichtigen Faktor nicht, nämlich die Mehrwegeausbreitung, welche die Genauigkeit der Lokalisierung beeinflusst. Diese Arbeit bezieht sich auf Lokalisierungsanwendungen in UWB (Ultra-Breitband-Technologie)- und WLAN (drahtloses lokales Netzwerk)- Systemen im Fall von Mehrwegeausbreitung. Zur Steigerung der Robustheit der Lokalisierungsanwendungen bei Mehrwegeausbreitung wurden neuartige Lokalisierungsalgorithmen, die auf der Auswertung der Ankunftszeit (engl. „Time of Arrival“, ToA), der empfangenen Signalstärke (engl. „Received Signal Strength“, RSS) und dem Einfallswinkel (engl. „Angle of Arrival“, AoA) basieren, vorgestellt und untersucht. Bei Mehrwegeausbreitung ist die Fragen den direkten Pfad zu lösen, da der direkte Pfad (engl. „Direct Path“, DP) schwächer als anderer Pfad sein kann. In dieser Arbeit werden daher neuartige Algorithmen zur Flankendetektion der empfangenen Signale für UWB Systeme entwickelt, um die Positionsbestimmung zu verbessern: Es gibt die kooperative Flankendetektion (engl. „Joint Leading Edge Detection“, JLED), die erweiterte maximalwahrscheinlichkeitbasierte Kanalschätzung (engl. „Improved Maximum Likelihood Channel Estimation“, IMLCE) und die Flankendetektion mit untervektorraumbasiertem Verfahren (engl. „Subspace based Approaches“, SbA). Bei der kooperativen Flankendetektion werden zwei Kriterien herangezogen nämlich die minimale Fläche und das minimale mittlere Quadrat des Schätzfehlers (engl. „Minimum Mean Squared Error“, MMSE). Weiterhin wird ein monopulsbasierter Kanalschätzer (engl. „Monopulse based Channel Estimator“, MCE) entwickelt, um die möglicherweise falsche Kombinationen der Flanken (engl. „Leading Edge Combination“, LEC) auszuschließen. Zudem wird in der Arbeit der erweiterte MLCE vorgestellt, der aus einem groben und einem genauen Schätzungsschritt besteht. Bei dem neuartigen untervektorraumbasierten Verfahren werden ein statischer und ein Schwundkanal untersucht. Im ersten Fall wird die Kombination der Rückwärtssuchalgorithmus mit untervektorraumbasierten Verfahren untersucht. Zudem wird im zweiten Fall ein untervektorraumbasierte Verfahren im Frequenzbereich vorgestellt. Für die RSS-basierte Lokalisierung wird ein Fingerabdruckverfahren (engl. „Fingerprint Approach“) und ein neuartiger Entfernungsschätzer basierend auf der Kanalenergie entwickelt und implementiert. Schließlich wird in der Arbeit ein Lokalisierungssystem mit Winkelschätzern inklusive einer entsprechenden Kalibrierung auf einer 802.11a/g Hardwareplattform vorgestellt. Dazu wird ein neuartiger Trägerschätzer und Kanalschätzer entwickelt.In the past several years there has been more growing research on Wireless Sensor Network (WSN). The indoor localization is a promising research topic, which is discussed variously in some literatures. However, the most work does not consider an important factor, i.e. the multi-path propagation, which affects the accuracy of the indoor localization. This work dealt with the indoor localization applied in UWB (Ultra Wide Band) and WLAN (Wireless Local Area Network) systems in the case of multi-path propagation. To improve the robustness of the applications of localization in the case of multi-path propagation, novel localization algorithms based on the evaluation of the Time of Arrival (ToA), the Received Signal Strength (RSS) and the Angle of Arrival (AoA) were proposed and investigated. In the ToA based localization systems, the detection of shortest signal propagation time plays a critical role. In the case of multi-path propagation, the Direct Path (DP) needs to be resolved because the DP may be weaker than Multi Path Components (MPC). Thus the novel algorithms for leading edge detection were developed in this work in order to improve the accuracy of localization, namely Joint Leading Edge Detection (JLED), Improved Maximum Likelihood Channel Estimation (IMLCE) and the leading edge detection with Subspace based Approaches (SbA). Two criteria were proposed and referenced for the JLED, namely Minimum Area (MA) and Minimum Mean Squared Error (MMSE). Furthermore, a monocycle-based channel estimator was developed to mitigate the fake LECs (Leading Edge Combination). The estimation error of JLED was theoretically analyzed and simulated for evaluation of the estimator. IMLCE consists of a coarse and a fine estimation step. The coarse position of the first correlation peak shall be found with the Search Back Algorithms (SBA), which is followed by MLCE-algorithms. The novel SbA was investigated in a static and a fading channel. In the former case, the iterative algorithm, which combines SbA with SBA, was investigated. In the latter case, the FD-SbA (Frequency Domain - SbA) was proposed, which requires to calculate the covariance matrix in the FD. For the RSS based localization, fingerprint approach and the novel channel energy based distance estimator were investigated and developed in this dissertation. Finally, a localization system using AoA estimation and the initial calibration was presented on an 802.11a/g hardware platform. A novel Carrier Frequency Offset (CFO) estimator and channel estimator were investigated and developed. The measurement campaigns were made for one, two and four fixed stations, respectivel

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

Machine Learning Tools for Radio Map Estimation in Fading-Impaired Channels

In spectrum cartography, also known as radio map estimation, one constructs maps that provide the value of a given channel metric such as as the received power, power spectral density (PSD), electromagnetic absorption, or channel-gain for every spatial location in the geographic area of interest. The main idea is to deploy sensors and measure the target channel metric at a set of locations and interpolate or extrapolate the measurements. Radio maps nd a myriad of applications in wireless communications such as network planning, interference coordination, power control, spectrum management, resource allocation, handoff optimization, dynamic spectrum access, and cognitive radio. More recently, radio maps have been widely recognized as an enabling technology for unmanned aerial vehicle (UAV) communications because they allow autonomous UAVs to account for communication constraints when planning a mission. Additional use cases include radio tomography and source localization.publishedVersio

Ultra-wideband Based Indoor Localization of Mobile Nodes in ToA and TDoA Configurations

Zandian R. Ultra-wideband Based Indoor Localization of Mobile Nodes in ToA and TDoA Configurations. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2019.This thesis discusses the utilization of ultra-wideband (UWB) technology in indoor localization scenarios and proposes system setup and evaluates different localization algorithms in order to improve the localization accuracy and stability of such systems in non-ideal conditions of the indoor environment. Recent developments and advances of technology in the areas of ubiquitous Internet, robotics and internet of things (IoT) have resulted in emerging new application areas in daily life in which localization systems are vital. The significant demand for a robust and accurate localization system that is applicable in indoor areas lacking satellites link, can be sensed. The UWB technology offers accurate localization systems with an accuracy of below 10 cm and covering the range of up to a few hundred meters thanks to their dedicated large bandwidth, modulation technique and signal power. In this thesis, the technology behind the UWB systems is discussed in detail. In terms of localization topologies, different scenarios with the focus on time-based methods are introduced. The main focus of this thesis is on the differential time of arrival localization systems (TDoA) with unilateral constellation that is suitable for robotic localization and navigation applications. A new approach for synchronization of TDoA topology is proposed and influence of clock inaccuracies in such systems are thoroughly evaluated. For localization engine, two groups of static and dynamic iterative algorithms are introduced. Among the possible dynamic methods, extended Kalman filter (EKF), H∞ and unscented Kalman filter (UKF) are discussed and meticulously evaluated. In order to tackle the non-line of sight (NLOS) problem of such systems, for detection stage several solutions which are based on parametric machine learning methods are proposed. Furthermore, for mitigation phase two solutions namely adjustment of measurement variance and innovation term are suggested. Practical results prove the efficiency and high reliability of the proposed algorithms with positive NLOS condition detection rate of more than 87%. In practical trials, the localization system is evaluated in indoor and outdoor arenas in both line of sight and non-line of sight conditions. The results show that the proposed detection and mitigation methods can be successfully applied for both small and large-scale arenas with the higher performance of the localization filters in terms of accuracy in large-scale scenarios