Reliable Cognitive Ultra Wideband Communication Systems Under Coexistence Constraints

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

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

Interference management in impulse-radio ultra-wide band networks

We consider networks of impulse-radio ultra-wide band (IR-UWB) devices. We are interested in the architecture, design, and performance evaluation of these networks in a low data-rate, self-organized, and multi-hop setting. IR-UWB is a potential physical layer for sensor networks and emerging pervasive wireless networks. These networks are likely to have no particular infrastructure, might have nodes embedded in everyday life objects and have a size ranging from a few dozen nodes to large-scale networks composed of hundreds of nodes. Their average data-rate is low, on the order of a few megabits per second. IR-UWB physical layers are attractive for these networks because they potentially combine low-power consumption, robustness to multipath fading and to interference, and location/ranging capability. The features of an IR-UWB physical layer greatly differ from the features of the narrow-band physical layers used in existing wireless networks. First, the bandwidth of an IR-UWB physical layer is at least 500 MHz, which is easily two orders of magnitude larger than the bandwidth used by a typical narrow-band physical layer. Second, this large bandwidth implies stringent radio spectrum regulations because UWB systems might occupy a portion of the spectrum that is already in use. Consequently, UWB systems exhibit extremely low power spectral densities. Finally IR-UWB physical layers offer multi-channel capabilities for multiple and concurrent access to the physical layer. Hence, the architecture and design of IR-UWB networks are likely to differ significantly from narrow-band wireless networks. For the network to operate efficiently, it must be designed and implemented to take into account the features of IR-UWB and to take advantage of them. In this thesis, we focus on both the medium access control (MAC) layer and the physical layer. Our main objectives are to understand and determine (1) the architecture and design principles of IR-UWB networks, and (2) how to implement them in practical schemes. In the first part of this thesis, we explore the design space of IR-UWB networks and analyze the fundamental design choices. We show that interference from concurrent transmissions should not be prevented as in protocols that use mutual exclusion (for instance, IEEE 802.11). Instead, interference must be managed with rate adaptation, and an interference mitigation scheme should be used at the physical layer. Power control is useless. Based on these findings, we develop a practical PHY-aware MAC protocol that takes into account the specific nature of IR-UWB and that is able to adapt its rate to interference. We evaluate the performance obtained with this design: It clearly outperforms traditional designs that, instead, use mutual exclusion or power control. One crucial aspect of IR-UWB networks is packet detection and timing acquisition. In this context, a network design choice is whether to use a common or private acquisition preamble for timing acquisition. Therefore, we evaluate how this network design issue affects the network throughput. Our analysis shows that a private acquisition preamble yields a tremendous increase in throughput, compared with a common acquisition preamble. In addition, simulations on multi-hop topologies with TCP flows demonstrate that a network using private acquisition preambles has a stable throughput. On the contrary, using a common acquisition preamble exhibits an effect similar to exposed terminal issues in 802.11 networks: the throughput is severely degraded and flow starvation might occur. In the second part of this thesis, we are interested in IEEE 802.15.4a, a standard for low data-rate, low complexity networks that employs an IR-UWB physical layer. Due to its low complexity, energy detection is appealing for the implementation of practical receivers. But it is less robust to multi-user interference (MUI) than a coherent receiver. Hence, we evaluate the performance of an IEEE 802.15.4a physical layer with an energy detection receiver to find out whether a satisfactory performance is still obtained. Our results show that MUI severely degrades the performance in this case. The energy detection receiver significantly diminishes one of the most appealing benefits of UWB, specifically its robustness to MUI and thus the possibility of allowing for parallel transmissions. This performance analysis leads to the development of an IR-UWB receiver architecture, based on energy detection, that is robust to MUI and adapted to the peculiarities of IEEE 802.15.4a. This architecture greatly improves the performance and entails only a moderate increase in complexity. Finally, we present the architecture of an IR-UWB physical layer implementation in ns-2, a well-known network simulator. This architecture is generic and allows for the simulation of several multiple-access physical layers. In addition, it comprises a model of packet detection and timing acquisition. Network simulators also need to have efficient algorithms to accurately compute bit or packet error rates. Hence, we present a fast algorithm to compute the bit error rate of an IR-UWB physical layer in a network setting with MUI. It is based on a novel combination of large deviation theory and importance sampling