Scalable and rate adaptive wireless multimedia multicast

The methods that are described in this work enable highly efficient audio-visual streaming over wireless digital communication systems to an arbitrary number of receivers. In the focus of this thesis is thus point-to-multipoint transmission at constrained end-to-end delay. A fundamental difference as compared to point-to-point connections between exactly two communicating sending and receiving stations is in conveying information about successful or unsuccessful packet reception at the receiver side. The information to be transmitted is available at the sender, whereas the information about successful reception is only available to the receiver. Therefore, feedback about reception from the receiver to the sender is necessary. This information may be used for simple packet repetition in case of error, or adaptation of the bit rate of transmission to the momentary bit rate capacity of the channel, or both. This work focuses on the single transmission (including retransmissions) of data from one source to multiple destinations at the same time. A comparison with multi-receiver sequentially redundant transmission systems (simulcast MIMO) is made. With respect to feedback, this work considers time division multiple access systems, in which a single channel is used for data transmission and feedback. Therefore, the amount of time that can be spent for transmitting feedback is limited. An increase in time used for feedback transmissions from potentially many receivers results in a decrease in residual time which is usable for data transmission. This has direct impact on data throughput and hence, the quality of service. In the literature, an approach to reduce feedback overhead which is based on simultaneous feedback exists. In the scope of this work, simultaneous feedback implies equal carrier frequency, bandwidth and signal shape, in this case orthogonal frequency-division multiplex signals, during the event of the herein termed feedback aggregation in time. For this scheme, a constant amount of time is spent for feedback, independent of the number of receivers giving feedback about reception. Therefore, also data throughput remains independent of the number of receivers. This property of audio-visual digital transmission is taken for granted for statically configured, single purpose systems, such as terrestrial television. In the scope of this work are, however, multi-user and multi-purpose digital communication networks. Wireless LANs are a well-known example and are covered in detail herein. In suchlike systems, it is of great importance to remain independent of the number of receivers, as otherwise the service of ubiquitous digital connectivity is at the risk of being degraded. In this regard, the thesis at hand elaborates at what bit rates audio-visual transmission to multiple receivers may take place in conjunction with feedback aggregation. It is shown that the scheme achieves a multi-user throughput gain when used in conjunction with adaptivity of the bit rate to the channel. An assumption is the use of an ideal overlay packet erasure correcting code in this case. Furthermore, for delay constrained transmission, such as in so-called live television, throughput bit rates are examined. Applications have to be tolerant to a certain level of residual error in case of delay constrained transmission. Improvement of the rate adaptation algorithm is shown to increase throughput while residual error rates are decreased. Finally, with a consumer hardware prototype for digital live-TV re-distribution in the local wireless network, most of the mechanisms as described herein can be demonstrated.Die in vorliegender Arbeit aufgezeigten Methoden der paketbasierten drahtlosen digitalen Kommunikation ermöglichen es, Fernsehinhalte, aber auch audio-visuelle Datenströme im Allgemeinen, bei hoher Effizienz an beliebig große Gruppen von Empfängern zu verteilen. Im Fokus dieser Arbeit steht damit die Punkt- zu Mehrpunktübertragung bei begrenzter Ende-zu-Ende Verzögerung. Ein grundlegender Unterschied zur Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen genau zwei miteinander kommunizierenden Sender- und Empfängerstationen liegt in der Übermittlung der Information über erfolgreichen oder nicht erfolgreichen Paketempfang auf Seite der Empfänger. Da die zu übertragende Information am Sender vorliegt, die Information über den Erfolg der Übertragung jedoch ausschließlich beim jeweiligen Empfänger, muss eine Erfolgsmeldung auf dem Rückweg von Empfänger zu Sender erfolgen. Diese Information wird dann zum Beispiel zur einfachen Paketwiederholung im nicht erfolgreichen Fall genutzt, oder aber um die Übertragungsrate an die Kapazität des Kanals anzupassen, oder beides. Grundsätzlich beschäftigt sich diese Arbeit mit der einmaligen, gleichzeitigen Übertragung von Information (einschließlich Wiederholungen) an mehrere Empfänger, wobei ein Vergleich zu an mehrere Empfänger sequentiell redundant übertragenden Systemen (Simulcast MIMO) angestellt wird. In dieser Arbeit ist die Betrachtung bezüglich eines Rückkanals auf Zeitduplexsysteme beschränkt. In diesen Systemen wird der Kanal für Hin- und Rückweg zeitlich orthogonalisiert. Damit steht für die Übermittlung der Erfolgsmeldung eine beschränkte Zeitdauer zur Verfügung. Je mehr an Kanalzugriffszeit für die Erfolgsmeldungen der potentiell vielen Empfänger verbraucht wird, desto geringer wird die Restzeit, in der dann entsprechend weniger audio-visuelle Nutzdaten übertragbar sind, was sich direkt auf die Dienstqualität auswirkt. Ein in der Literatur weniger ausführlich betrachteter Ansatz ist die gleichzeitige Übertragung von Rückmeldungen mehrerer Teilnehmer auf gleicher Frequenz und bei identischer Bandbreite, sowie unter Nutzung gleichartiger Signale (hier: orthogonale Frequenzmultiplexsignalformung). Das Schema wird in dieser Arbeit daher als zeitliche Aggregation von Rückmeldungen, engl. feedback aggregation, bezeichnet. Dabei wird, unabhängig von der Anzahl der Empfänger, eine konstante Zeitdauer für Rückmeldungen genutzt, womit auch der Datendurchsatz durch zusätzliche Empfänger nicht notwendigerweise sinkt. Diese Eigenschaft ist aus statisch konfigurierten und für einen einzigen Zweck konzipierten Systemen, wie z. B. der terrestrischen Fernsehübertragung, bekannt. In dieser Arbeit werden im Gegensatz dazu jedoch am Beispiel von WLAN Mehrzweck- und Mehrbenutzersysteme betrachtet. Es handelt sich in derartigen Systemen zur digitalen Datenübertragung dabei um einen entscheidenden Vorteil, unabhängig von der Empfängeranzahl zu bleiben, da es sonst unweigerlich zu Einschränkungen in der Güte der angebotenen Dienstleistung der allgegenwärtigen digitalen Vernetzung kommen muss. Vorliegende Arbeit zeigt in diesem Zusammenhang auf, welche Datenraten unter Benutzung von feedback aggregation in der Verteilung an mehrere Empfänger und in verschiedenen Szenarien zu erreichen sind. Hierbei zeigt sich, dass das Schema im Zusammenspiel mit einer Adaption der Datenrate an den Übertragungskanal inhärent einen Datenratengewinn durch Mehrbenutzerempfang zu erzielen vermag, wenn ein überlagerter idealer Paketauslöschungsschutz-Code angenommen wird. Des weiteren wird bei der Übertragung mit zeitlich begrenzter Ausführungsdauer, z. B. dem sogenannten Live-Fernsehen, aufgezeigt, wie sich die erreichbare Datenrate reduziert und welche Restfehlertoleranz an die Übertragung gestellt werden muss. Hierbei wird ebenso aufgezeigt, wie sich durch Verbesserung der Ratenadaption erstere erhöhen und zweitere verringern lässt. An einem auf handelsüblichen Computer-Systemen realisiertem Prototypen zur Live-Fernsehübertragung können die hierin beschriebenen Mechanismen zu großen Teilen gezeigt werden

High mobility in OFDM based wireless communication systems

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been adopted as the transmission scheme in most of the wireless systems we use on a daily basis. It brings with it several inherent advantages that make it an ideal waveform candidate in the physical layer. However, OFDM based wireless systems are severely affected in High Mobility scenarios. In this thesis, we investigate the effects of mobility on OFDM based wireless systems and develop novel techniques to estimate the channel and compensate its effects at the receiver. Compressed Sensing (CS) based channel estimation techniques like the Rake Matching Pursuit (RMP) and the Gradient Rake Matching Pursuit (GRMP) are developed to estimate the channel in a precise, robust and computationally efficient manner. In addition to this, a Cognitive Framework that can detect the mobility in the channel and configure an optimal estimation scheme is also developed and tested. The Cognitive Framework ensures a computationally optimal channel estimation scheme in all channel conditions. We also demonstrate that the proposed schemes can be adapted to other wireless standards easily. Accordingly, evaluation is done for three current broadcast, broadband and cellular standards. The results show the clear benefit of the proposed schemes in enabling high mobility in OFDM based wireless communication systems.Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) wurde als Übertragungsschema in die meisten drahtlosen Systemen, die wir täglich verwenden, übernommen. Es bringt mehrere inhärente Vorteile mit sich, die es zu einem idealen Waveform-Kandidaten in der Bitübertragungsschicht (Physical Layer) machen. Allerdings sind OFDM-basierte drahtlose Systeme in Szenarien mit hoher Mobilität stark beeinträchtigt. In dieser Arbeit untersuchen wir die Auswirkungen der Mobilität auf OFDM-basierte drahtlose Systeme und entwickeln neuartige Techniken, um das Verhalten des Kanals abzuschätzen und seine Auswirkungen am Empfänger zu kompensieren. Auf Compressed Sensing (CS) basierende Kanalschätzverfahren wie das Rake Matching Pursuit (RMP) und das Gradient Rake Matching Pursuit (GRMP) werden entwickelt, um den Kanal präzise, robust und rechnerisch effizient abzuschätzen. Darüber hinaus wird ein Cognitive Framework entwickelt und getestet, das die Mobilität im Kanal erkennt und ein optimales Schätzungsschema konfiguriert. Das Cognitive Framework gewährleistet ein rechnerisch optimales Kanalschätzungsschema für alle möglichen Kanalbedingungen. Wir zeigen außerdem, dass die vorgeschlagenen Schemata auch leicht an andere Funkstandards angepasst werden können. Dementsprechend wird eine Evaluierung für drei aktuelle Rundfunk-, Breitband- und Mobilfunkstandards durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen den klaren Vorteil der vorgeschlagenen Schemata bei der Ermöglichung hoher Mobilität in OFDM-basierten drahtlosen Kommunikationssystemen

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

Secure OFDM System Design for Wireless Communications

Wireless communications is widely employed in modern society and plays an increasingly important role in people\u27s daily life. The broadcast nature of radio propagation, however, causes wireless communications particularly vulnerable to malicious attacks, and leads to critical challenges in securing the wireless transmission. Motivated by the insufficiency of traditional approaches to secure wireless communications, physical layer security that is emerging as a complement to the traditional upper-layer security mechanisms is investigated in this dissertation. Five novel techniques toward the physical layer security of wireless communications are proposed. The first two techniques focus on the security risk assessment in wireless networks to enable a situation-awareness based transmission protection. The third and fourth techniques utilize wireless medium characteristics to enhance the built-in security of wireless communication systems, so as to prevent passive eavesdropping. The last technique provides an embedded confidential signaling link for secure transmitter-receiver interaction in OFDM systems

Design and Study of Cognitive Network Physical Layer Simulation Platform

Cognitive radio technology has received wide attention for its ability to sense and use idle frequency. IEEE 802.22 WRAN, the first to follow the standard in cognitive radio technology, is featured by spectrum sensing and wireless data transmission. As far as wireless transmission is concerned, the availability and implementation of a mature and robust physical layer algorithm are essential to high performance. For the physical layer of WRAN using OFDMA technology, this paper proposes a synchronization algorithm and at the same time provides a public platform for the improvement and verification of that new algorithm. The simulation results show that the performance of the platform is highly close to the theoretical value

Power communications over the last kilometre

This thesis examines traditional methods of transmitting and receiving information over the last kilometre into homes and light industrial premises. As a direct result of the deregulation of electricity with the Electrical Deregulation Act of July 1989 [1] and the proliferation of large scale integration electronic devices such as microprocessors the need to transmit more data to and from such premises became urgent. The last kilometre problem of getting information to and from the customer’s premises to the node or data concentrator for connection to the available services, such as the internet, applies to any supplier from those that need to transfer large amounts of date such as on demand high definition television to those wishing to read utility meters remotely. Two competing techniques for transmitting small amounts of data at low data rates over the last kilometre between domestic and light commercial sites to the utility substation are investigated in this thesis. These techniques are narrow band VHF radio and low frequency power line carrier. A literature survey investigates the traditional methods of delivery information and the use of home networks and the latest research in power line carrier and broadband power line. The basis of radio propagation is presented including Maxwell’s equations. Two sets of trials are presented; the first set investigates a low frequency power line technology broadcast alarm system designed to inform residents living in higher risks areas around industrial sites such as oil refineries and chemical factories of important information and any alarm condition. The second set of trials, the radio trial, at 184 MHz, involved reading 2,500 domestic and light industrial electricity meters every 30 minutes during two week long periods. ConclusionBoth the radio meter reading system and low data rate power systems are viable in getting low data rate information to and from domestic and commercial properties. Both systems may be retrofitted quickly and cheaply depending on the data rates and amount of data to be transmitted. The radio meter system benefited from careful site surveys including monitoring of potential radio interference; the power line carrier system also benefited from site surveys and monitoring of line disturbance and line impedance