SIR performance evaluation of MB-OFDM UWB system with residual timing offset

Signal-to-interference ratio (SIR) performance of a multiband orthogonal frequency division multiplexing ultra-wideband system with residual timing offset is investigated. To do so, an exact mathematical derivation of the SIR of this system is derived. It becomes obvious that, unlike a cyclic prefixing based system, a zero padding based system is sensitive to residual timing offset.This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant, funded by the Korean government (MSIP) no. 2010-0018116.Islam, SMR.; Ullah, S.; Lloret, J.; Ullah, N.; Kwak, KS. (2015). SIR performance evaluation of MB-OFDM UWB system with residual timing offset. Electronics Letters. 51(5):427-429. https://doi.org/10.1049/el.2014.3967S42742951

Sensitivity of OFDM Systems to Synchronization Errors and Spatial Diversity

In this dissertation, the problem of synchronization for OFDM-based wireless communication systems is studied. In the first part of this dissertation, the sensitivity of both single input single output (SISO) OFDM and multiple input multiple output (MIMO) OFDM receivers to carrier and timing synchronization errors are analyzed. Analytical expressions and numerical results for the power of inter-carrier interference (ICI) are presented. It is shown that the OFDM-based receivers are quite sensitive to residual synchronization errors. In wide-sense stationary uncorrelated scattering (WSSUS) frequency-selective fading channels, the sampling clock timing offset results in rotation of the subcarrier constellation, while carrier frequency offsets and phase jitter cause inter-carrier interference. The overall system performance in terms of symbol error rate is limited by the inter-carrier interference. For a reliable information reception, compensatory measures must be taken. The second part of this dissertation deals with the impact of spatial diversity (usage of multiple transmit/receive antennas) on synchronization. It is found that with multiple transmit and receive antennas, MIMO-OFDM systems can take advantage of the spatial diversity to combat carrier and timing synchronization imperfections. Diversity can favorably improve the synchronization performance. Data-aided and non-data-aided maximum likelihood symbol timing estimators for MIMO-OFDM systems are introduced. Computer simulations show that, by exploiting the spatial diversity, synchronization performance of MIMO-OFDM systems in terms of mean squared error (MSE) of residual timing offset becomes significantly more reliable when compared to conventional SISO OFDM systems. Therefore, spatial diversity is a useful technique to be exploited in the deployment of MIMO-OFDM communication systems. In MIMO systems with synchronization sequences, timing synchronization is treated as a multiple hypotheses testing problem. Generalized likelihood ratio test (GLRT) statistics are developed for MIMO systems in frequency flat channels and MIMO-OFDM systems in frequency selective fading environments. The asymptotic performance of the GLRT without nuisance parameters is carried out. It is shown that the asymptotic performance of the GLRT can serve as an upper bound for the detection probability in the presence of a limited number of observations as well as a benchmark for comparing the performances of different timing synchronizers

System design and validation of multi-band OFDM wireless communications with multiple antennas

[no abstract

Low complexity pre-equalization algorithms for zero-padded block transmission

The zero-padded block transmission with linear time-domain pre-equalizer is studied in this paper. A matched filter is exploited to guarantee the stability of the zero-forcing (ZF) and minimum mean square error (MMSE) pre-equalization. Then, in order to compute the pre-equalizers efficiently, an asymptotic decomposition is developed for the positive-definite Hermitian banded Toeplitz matrix. Compared to the direct matrix inverse methods or the Levinson-Durbin algorithm, the computational complexity of the proposed algorithm is significantly decreased and there is no bit error rate degradation when data block length is large. © 2010 IEEE.published_or_final_versio

Next generation passive optical networks based on orthogonal frequency division multiplexing techniques

In recent decades, the industry of communications has acquired huge significance, and nowadays constitutes an essential tool for the society information. Thus, the exponential growth in demand of broadband services and the increasing amount of information to be transmitted have spurred the evolution of the access network infrastructure to effectively meet the user needs in an effective way in terms of costs of both installation and maintenance. Passive optical networks (PON) are currently considered the most efficient and least costly alternative to deploy fiber to the home environment. In order to allow many users simultaneously coexist PONs based on time multiplexing (TDMA) have been developed. Looking ahead, however, it is expected that these techniques do not meet the requirements on access networks. In consequence, other multiple access techniques such as Wavelength Division Multiplexing Access (WDMA) or Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) are currently under study and development for use in the next generation of PONs. Particularly, in recent years OFDM has stood out among the scientific community to be considered a solution with great potential on future implementation of PONs. This is especially true due to the capacity of OFDM to work with multilevel modulations, its high tolerance to chromatic dispersion, and its high flexibility and granularity in terms of bandwidth management. Given the above, the aim of this Thesis is to study deeply the advantages and challenges of implementing the standard OFDM as an access network solution; likewise, it offers solutions to improve its performance. In order to evaluate the main structures and strategies for OFDM-based PON, a comparative analysis of all of them is performed firstly, highlighting their sensitivity levels, maximum range and number of users. A key aspect for network providers is the cost of operation, deployment and maintenance of networks. As a low-cost solution, this Thesis proposes a network model called Statistical-OFDMA-PON based on intensity modulation and direct detection. In addition, dynamic bandwidth management strategies are applied into this model getting an improvement in the power balance which in turn, allows to increase the maximum range and the scalability in number of users. One of the main OFDM problems is the Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) which increases with the number of carriers. This thesis proposes a new algorithm based on folding the signal and transmitting auxiliary information in order to compensate the PAPR effect and thus increase the sensitivity of the optical system. On the other hand, OFDMA requires a large number of operations in the digital domain resulting in a high computational effort, which in turn results in an increased cost. For this reason, this Thesis presents a study on the optimization of the required resolution in the Digital-to-Analog / Analog-to-Digital Converters (DAC/ADCs) maintaining the transmission quality. The optimization of the computation time may make the OFDMA-based optical network more attractive for future PONs. Finally, another problem concerning the OFDM optical networks is their sensitivity to Phase Noise (PN). In this regard, this Thesis presents a study of the effect of the laser linewidth and its dependence on signal bandwidth. A mitigation technique based on pilot tones is implemented and the limiting values for the laser linewidth are found to be within the reach of present low-cost light sources.En estas últimas décadas, la industria de las comunicaciones ha adquirido gran importancia y hoy en día, constituye una herramienta imprescindible para el funcionamiento en la sociedad de la información. Así pues, el crecimiento exponencial en la demanda de servicios de banda ancha y la carga de información cada vez mayor que se necesita transmitir ha estimulado la evolución de las infraestructuras del tramo de acceso a la red para poder satisfacer las necesidades del usuario de forma efectiva en términos de costes de instalación y de mantenimiento. Las redes ópticas pasivas (Passive Optical Networks, PON) son actualmente consideradas la alternativa más eficiente y de menor coste para desplegar fibra hasta los hogares. Con el fin de permitir que muchos usuarios coexistan simultáneamente se han desarrollado PONs basadas en multiplexación en tiempo (Time Division Multiplexing Access, TDMA). De cara al futuro, sin embargo, se prevé que estas técnicas no permitan cubrir las exigencias sobre las redes de acceso. En consecuencia, otras técnicas de acceso múltiple al medio como el acceso múltiple por división de longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing Access, WDMA) o el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, OFDMA) se encuentran actualmente en proceso de estudio y desarrollo para su uso en la futura generación de PONs. En concreto, en los últimos años OFDM se ha destacado entre la comunidad científica al considerarse una solución con gran potencial para su futura implantación en redes de acceso pasivas. Esto es especialmente cierto debido a la capacidad que el OFDM para trabajar con modulaciones multinivel, así como su alta tolerancia a la dispersión cromática y a la gran flexibilidad y granularidad que posibilita en términos de gestión del ancho de banda. Por todo lo anterior, el objetivo de esta Tesis es estudiar con profundidad las ventajas y los retos de aplicar el estándar OFDM como solución de red de acceso; del mismo modo, ofrece soluciones para mejorar su rendimiento. Con el objetivo de evaluar las principales estructuras basadas en OFDM-PON, en primer lugar se realiza un análisis comparativo de todas ellas destacando sus niveles de sensibilidad, máximo alcance y número de usuarios. Un aspecto fundamental para los proveedores de red es el coste de operación, despliegue y mantenimiento de las redes. Como solución de bajo coste, esta Tesis propone un modelo de red llamado Statistical-OFDMA-PON que se basa en modulación de intensidad y detección directa. Además, este modelo se completa con estrategias de gestión dinámica del ancho de banda de los usuarios que conforman la estructura de red propuesta consiguiendo una mejora en el balance de potencias que permite aumentar distancia y número de usuarios. Uno de los principales problemas del OFDM es el alto nivel de la relación de potencia de pico a potencia media (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) creciente con el número de portadoras. Esta Tesis propone un nuevo algoritmo basado en el pliegue de la señal y la transmisión de información auxiliar para compensar el efecto del PAPR aumentando así la sensibilidad del sistema óptico. Por otro lado, OFDMA requiere un número elevado de operaciones en el dominio digital resultando en un alto esfuerzo computacional que a su vez se traduce en un aumento del coste. Por esta razón, esta Tesis presenta un estudio sobre la optimización de la resolución requerida en los conversores analógicodigital (Digital-to-Analog/Analog-to-Digital Converters, DAC/ADCs) manteniendo la calidad de transmisión. La optimización del tiempo de cómputo requerido puede dotar de un mayor atractivo la solución de red óptica basada en OFDMA. Finalmente, otro de los problemas que presentan las redes ópticas OFDM es su sensibilidad frente al ruido de fase (Phase Noise, PN). En este aspecto, esta Tesis presenta un estudio del efecto del ancho de línea del láser y su dependencia con el ancho de banda de la señal. Técnicas de mitigación basadas en tonos piloto han sido implementadas y se han encontrado los valores limitantes del ancho de línea dentro del alcance de los láseres de bajo coste

Advanced receiver structures for mobile MIMO multicarrier communication systems

Beyond third generation (3G) and fourth generation (4G) wireless communication systems are targeting far higher data rates, spectral efficiency and mobility requirements than existing 3G networks. By using multiple antennas at the transmitter and the receiver, multiple-input multiple-output (MIMO) technology allows improving both the spectral efficiency (bits/s/Hz), the coverage, and link reliability of the system. Multicarrier modulation such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a powerful technique to handle impairments specific to the wireless radio channel. The combination of multicarrier modulation together with MIMO signaling provides a feasible physical layer technology for future beyond 3G and fourth generation communication systems. The theoretical benefits of MIMO and multicarrier modulation may not be fully achieved because the wireless transmission channels are time and frequency selective. Also, high data rates call for a large bandwidth and high carrier frequencies. As a result, an important Doppler spread is likely to be experienced, leading to variations of the channel over very short period of time. At the same time, transceiver front-end imperfections, mobility and rich scattering environments cause frequency synchronization errors. Unlike their single-carrier counterparts, multi-carrier transmissions are extremely sensitive to carrier frequency offsets (CFO). Therefore, reliable channel estimation and frequency synchronization are necessary to obtain the benefits of MIMO OFDM in mobile systems. These two topics are the main research problems in this thesis. An algorithm for the joint estimation and tracking of channel and CFO parameters in MIMO OFDM is developed in this thesis. A specific state-space model is introduced for MIMO OFDM systems impaired by multiple carrier frequency offsets under time-frequency selective fading. In MIMO systems, multiple frequency offsets are justified by mobility, rich scattering environment and large angle spread, as well as potentially separate radio frequency - intermediate frequency chains. An extended Kalman filter stage tracks channel and CFO parameters. Tracking takes place in time domain, which ensures reduced computational complexity, robustness to estimation errors as well as low estimation variance in comparison to frequency domain processing. The thesis also addresses the problem of blind carrier frequency synchronization in OFDM. Blind techniques exploit statistical or structural properties of the OFDM modulation. Two novel approaches are proposed for blind fine CFO estimation. The first one aims at restoring the orthogonality of the OFDM transmission by exploiting the properties of the received signal covariance matrix. The second approach is a subspace algorithm exploiting the correlation of the channel frequency response among the subcarriers. Both methods achieve reliable estimation of the CFO regardless of multipath fading. The subspace algorithm needs extremely small sample support, which is a key feature in the face of time-selective channels. Finally, the Cramér-Rao (CRB) bound is established for the problem in order to assess the large sample performance of the proposed algorithms.reviewe

Characterization and design of coherent optical OFDM transmission systems based on Hartley Transform

Nowadays, due to huge deployment of optical transport networks, a continuous increase towards higher data rates up to 100 Gb/s and beyond is observed. Furthermore, an evolution of the current optical networks is forecasted, acquiring new functionalities, e.g. elastic spectrum assignment for the optical signals. The target for these new challenges in transmission is to find techniques ready to deal with a growth of demand for bandwidth continuously asked by network operators, for whom the standard systems do not meet the new functionalities while higher rates are being set up. A solution for covering all of those needs is to adapt techniques capable to deal with such enormous data rates, and ensuring the same high efficiency for long distances and mitigate the optical impairments accumulated along the transmission path. Additionally, these transmission techniques are expected to provide some degree of flexibility, in order to enhance the network flexibility. A promising technology that can fully cope with those requires is the coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). CO-OFDM provides several advantages, namely high sensitivity and spectral efficiency, simple integration and possibility to fully recover a signal in phase, amplitude and polarization. These systems are composed by digital signal processing (DSP) blocks that easily process data and can equalize and compensate the main impairments, providing high tolerance for dispersion effects. However, CO-OFDM systems are not free from drawbacks. Their high peak-to-average power ratio (PAPR) reduce their tolerance to nonlinearities. Furthermore, CO-OFDM systems are sensitive to any frequency shift and phase offset. Hence, a constant envelope optical OFDM (CE-OFDM) is proposed for significantly reducing the PAPR and solving high sensitivity to nonlinear impairments. It consists in a phase modulated discrete multi-tone signal, which is coherently detected at the receiver side. An alternative transform, the discrete Hartley transform, is proposed to speed up calculations in the DSP and eliminate the need to have a Hermitian symmetry. The optical CE-OFDM by its unique flexibility and rate scalability turns out as a great technology applicable to different configurations, ranging from access to core networks. In case of access solutions, several cases are investigated. First, the optical CE-OFDM is applied for radio access network signals delivery by means of a wavelength division multiplexing (WDM) overlay in deployed access architecture. A decomposed radio access network is deployed over an existing standard passive optical network (PON), capable to avoid interference and cross talks with access signals between network clients. The system exhibited narrow channel spacing, while reducing losses fed into the access equipment path. Next, a full duplex 10 Gb/s bidirectional PON transmission over a single wavelength with RSOA based ONU is investigated. The key point of that system is the upstream transmission, which is achieved re-modulating the phase of a downstream intensity modulated signal after proper saturation. The reported sensitivity performances show a power budget matching the PON standards and an OSNR easy to reach on non-amplified PON. Next, a flexible metropolitan area network of up to 100km with traffic add/drop using WDM is investigated. There the narrowing effect of the optical filters is studied. Finally, an elastic upgrade of the existing Telefonica model of the Spanish national core network is proposed. For that, the transceiver architecture is proposed to be operated featuring polarization multiplexing. Respect to the existing fixed grid, the flexible approach (enabled by the CE-OFDM transceiver) results into reduced bandwidth occupancy and low OSNR requirement.Hoy en día, debido al gran despliegue de las redes de ópticas de transporte, se espera un aumento continuado hacia mayores velocidades de datos, hasta 100 Gb/s y más allá. Por otra parte, la evolución que se prevé para las redes ópticas actuales, incluye la adquisición de nuevas funcionalidades, por ejemplo, la asignación del espectro de forma elástica para las señales ópticas. Por tanto, el claro desafío en cuanto a las tecnologías de transmisión es encontrar técnicas preparadas para hacer frente a un crecimiento de la demanda de ancho de banda; demanda que continuamente se incrementa por parte de los operadores de red, para quienes los sistemas estándar no se acaban de ajustar a las nuevas funcionalidades que esperan para la red. Una solución para cubrir todas estas necesidades es la adaptación de técnicas capaces de hacer frente a estas velocidades de datos enormes, y garantizar el mismo nivel de eficiencia para las largas distancias y mitigar las deficiencias ópticas acumuladas a lo largo de la ruta de transmisión. Además, se espera que estas técnicas de transmisión puedan proporcionar cierto grado de flexibilidad, a fin de mejorar y hacer más eficiente la gestión de la red. Una tecnología prometedora que puede hacer frente a estos requisitos es lo que se llama multiplexación por división de frecuencias ortogonales, combinado con la detección óptica coherente (CO-OFDM). CO-OFDM ofrece varias ventajas, entre otras: alta sensibilidad y eficiencia espectral y, sobre todo, la posibilidad de recuperar por completo de una señal en fase, la amplitud y la polarización. Estos sistemas están compuestos por bloques de procesado de señales digitales (DSP) que permiten detectar los datos fácilmente así como también compensar las principales degradaciones, proporcionando alta tolerancia a los efectos de dispersión. Sin embargo, los sistemas CO-OFDM no están exentos de inconvenientes. Su alta relación de potencia de pico a potencia media (PAPR) reduce sensiblemente la tolerancia no linealidades. Por otra parte, los sistemas CO-OFDM son sensibles a cualquier cambio de frecuencia y desplazamiento de fase. Por tanto, se propone un sistema OFDM de envolvente constante (CE-OFDM) para reducir significativamente la PAPR y solucionar la alta sensibilidad a las degradaciones no lineales. Consiste en una señal OFDM modulada en fase, que se detecta coherentemente en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta de Hartley, se propone para acelerar los cálculos en el DSP. El sistema CE-OFDM por su flexibilidad y escalabilidad única, resulta una tecnología aplicable a diferentes escenarios, que van desde las redes de acceso hasta las redes troncales. En el caso de las soluciones de acceso, se investigan varios casos. En primer lugar, el CE-OFDM aplica para el desarrollo y soporte de datos de una red radio, reutilizando una red óptica de acceso ya desplegada. A continuación, se investiga la transmisión bidireccional dúplex a 10 Gb / s sobre una sola longitud de onda empleando un RSOA a las unidades de usuario. El punto clave de este sistema es la transmisión en sentido ascendente, que se consigue re-modulando la fase de una señal de intensidad modulada después de saturar de forma adecuada. A continuación, se estudia una red de área metropolitana flexible de hasta 100 km. Concretamente el efecto de concatenación de filtros ópticos es el objetivo de este estudio. Finalmente, se propone una actualización elástica del modelo de Telefónica I+D para la red troncal española. Por ello, se propone operar el CE-OFDM en multiplexación de polarización. Los resultados muestran que esta combinación reduce sensiblemente el empleo de ancho de banda esto como los requisitos de los enlaces transmisión, reduciendo también los costes tanto de desarrollo como de operación y mantenimiento de la red.Avui dia, a causa del gran desplegament de les xarxes de òptiques de transport, s'espera un augment continuat cap a majors velocitats de dades, fins a 100 Gb/s i més enllà. D'altra banda, l'evolució que es preveu per a les xarxes òptiques actuals, inclou l'adquisició de noves funcionalitats, per exemple, assignació de l'espectre de forma elàstica per als senyals òptics. Per tant, el clar desafiament pel que fa a les tecnologies de transmissió és trobar tècniques preparades per fer front a un creixement de la demanda d'ample de banda; demanda que contínuament es fa per part dels operadors de xarxa, per als qui els sistemes estàndard no s'acaben d'ajustar a les noves funcionalitats que esperen per a la xarxa. Una solució per a cobrir totes aquestes necessitats és l'adaptació de tècniques capaces de fer front a aquestes velocitats de dades enormes, i garantir el mateix nivell d'eficiència per a les llargues distàncies i mitigar les deficiències òptiques acumulades al llarg de la ruta de transmissió. A més, s'espera que aquestes tècniques de transmissió puguin proporcionar cert grau de flexibilitat, per tal de millorar i tornar més eficient la gestió de la xarxa. Una tecnologia prometedora que pot fer front a aquests requisits és el que s'anomena multiplexació per divisió de freqüències ortogonals, combinat amb la detecció òptica coherent (CO-OFDM). CO-OFDM ofereix diversos avantatges, entre altres: alta sensibilitat i eficiència espectral i, sobretot, la possibilitat de recuperar per complet d'una senyal en fase, l'amplitud i la polarització. Aquests sistemes estan compostos per blocs de processament de senyals digitals (DSP) que permeten detectar les dades fàcilment així com també compensar les principals degradacions, proporcionant alta tolerància pels efectes de dispersió. No obstant això, els sistemes CO-OFDM no estan exempts d'inconvenients. La seva alta relació de potència de pic a potència mitjana (PAPR) redueix sensiblement la tolerància a no linealitats. D'altra banda, els sistemes de CO-OFDM són sensibles a qualsevol canvi de freqüència i desplaçament de fase. Per tant, es proposa un sistema OFDM d'envolvent constant (CE-OFDM) per a reduir significativament la PAPR i solucionar l'alta sensibilitat a les degradacions no lineals. Consisteix en un senyal OFDM modulat en fase, que es detecta coherentment en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta d'Hartley, es proposa accelerar els càlculs en el DSP. El sistema CE-OFDM per la seva flexibilitat i escalabilitat única, resulta una tecnologia aplicable a diferents escenaris, que van des de les xarxes d'accés fins a les xarxes troncals. En el cas de les solucions d'accés, s'investiguen diversos casos. En primer lloc, el CE-OFDM s'aplica per al desplegament i suport de dades d'una xarxa radio, reutilitzant una xarxa òptica d'accés ja desplegada. A continuació, s'investiga la transmissió bidireccional dúplex a 10 Gb/s sobre una sola longitud d'ona emprant un RSOA a les unitats d'usuari. El punt clau d'aquest sistema és la transmissió en sentit ascendent, que s'aconsegueix re-modulant la fase d'un senyal d'intensitat modulada després de saturar-la de forma adequada. A continuació, s'estudia una xarxa d'àrea metropolitana flexible de fins a 100 km. Concretament l'efecte de concatenació de filtres òptics és l'objectiu d'aquest estudi. Finalment, es proposa una actualització elàstica del model de Telefónica I+D per a la xarxa troncal espanyola. Per això, es proposa operar el CE-OFDM en multiplexació de polarització. Els resultats mostren que aquesta combinació redueix sensiblement l'ocupació d'ample de banda això com també els requisits dels enllaços transmissió, reduint també els costos tant de desplegament com d'operació i manteniment de la xarxa