Massive MIMO for Internet of Things (IoT) Connectivity

Massive MIMO is considered to be one of the key technologies in the emerging 5G systems, but also a concept applicable to other wireless systems. Exploiting the large number of degrees of freedom (DoFs) of massive MIMO essential for achieving high spectral efficiency, high data rates and extreme spatial multiplexing of densely distributed users. On the one hand, the benefits of applying massive MIMO for broadband communication are well known and there has been a large body of research on designing communication schemes to support high rates. On the other hand, using massive MIMO for Internet-of-Things (IoT) is still a developing topic, as IoT connectivity has requirements and constraints that are significantly different from the broadband connections. In this paper we investigate the applicability of massive MIMO to IoT connectivity. Specifically, we treat the two generic types of IoT connections envisioned in 5G: massive machine-type communication (mMTC) and ultra-reliable low-latency communication (URLLC). This paper fills this important gap by identifying the opportunities and challenges in exploiting massive MIMO for IoT connectivity. We provide insights into the trade-offs that emerge when massive MIMO is applied to mMTC or URLLC and present a number of suitable communication schemes. The discussion continues to the questions of network slicing of the wireless resources and the use of massive MIMO to simultaneously support IoT connections with very heterogeneous requirements. The main conclusion is that massive MIMO can bring benefits to the scenarios with IoT connectivity, but it requires tight integration of the physical-layer techniques with the protocol design.Comment: Submitted for publicatio

IPI Removing by Using Reference Sign/N-ary Orthogonal Coded/Balanced TR-UWB Receiver for WPAN Based on Hadamard Matrix

IR UWB system has been proposed as a promising physical layer candidate for indoor wireless communications, because it offers very fine time resolution and multipath resolvability. Inter pulse interference (IPI) is one important challenge related to the transmit reference (TR) IR UWB receiver. In this paper, an attempt to completely remove the IPI problem in TR with increasing the data rate. This is achieved by using orthogonal codes generated from modified version of Hadamard matrix via the application of the reference sign technique, i.e., by modulating the reference pulse besides the already data modulate

COMPLEX PULSE FORMING TEACHNIQUE USING AM DETECTOR TYPE CIRCUITRY AND THE APPLICATION OF CDMA TO RFID FOR THE SIMULTANEOUS READING OF MULTIPLE TAGS

A novel complex ultra wideband RF pulse forming technique has been implemented in this research, using the coefficients derived from discrete Fourier transform of a virtual pulse train. Incorporated in this technique is a multiple frequency communication systems designed such that transmitter receiver proximity and the fading effect of the individual frequencies make part of a corresponding modulation technique. A code division multiple access (CDMA) application to RFID to greatly reduce read time, while at the same time eliminating inter tag interference, has been investigated with the analysis of a typical cart aisle scenario. With the current rate of growth of inventory world wide there is a tremendous need for more efficient method of data gathering, data storage, and data retrieval. In this dissertation, the application of the CDMA RFID technology has been analyzed to demonstrate the potentials of integrating the RFID technology to the EPC global numbering system

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

Time reversal transmission approach for ultra wideband communications

[no abstract

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 Robust Signal Detection Method for Ultra Wide Band (UWB) Networks with Uncontrolled Interference

We propose a novel detection method for non-coherent synchronization (signal acquisition) in multi-user UWB impulse radio (IR) networks. It is designed to solve the IUI (Inter-User Interference) that occurs in some ad-hoc networks where concurrent transmissions are allowed with heterogeneous power levels. In such scenarios, the conventional detection method, which is based on correlating the received IR signal with a Template Pulse Train (TPT), does not always perform well. The complexity of our proposal is similar to that of the conventional method. We evaluate its performance with the Line Of Sight (LOS) and the Non LOS (NLOS) office indoor channel models proposed by the IEEE P802.15.4a study group and find that the improvement is significant. We also investigate the particular case where the concurrent transmissions have the same time-hopping code, and we show that it does not result in collision, such scenarios appear in ad-hoc networks that employ common code for control or broadcast purposes

Direction of arrival estimation of WiMedia UWB multipath signals in the presence of inband interferers

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH