Mapping DSP algorithms to a reconfigurable architecture Adaptive Wireless Networking (AWGN)

This report will discuss the Adaptive Wireless Networking project. The vision of the Adaptive Wireless Networking project will be given. The strategy of the project will be the implementation of multiple communication systems in dynamically reconfigurable heterogeneous hardware. An overview of a wireless LAN communication system, namely HiperLAN/2, and a Bluetooth communication system will be given. Possible implementations of these systems in a dynamically reconfigurable architecture are discussed. Suggestions for future activities in the Adaptive Wireless Networking project are also given

THE APPLICATION OF REAL-TIME SOFTWARE IN THE IMPLEMENTATION OF LOW-COST SATELLITE RETURN LINKS

Digital Signal Processors (DSPs) have evolved to a level where it is feasible for digital modems with relatively low data rates to be implemented entirely with software algorithms. With current technology it is still necessary for analogue processing between the RF input and a low frequency IF but, as DSP technology advances, it will become possible to shift the interface between analogue and digital domains ever closer towards the RF input. The software radio concept is a long-term goal which aims to realise software-based digital modems which are completely flexible in terms of operating frequency, bandwidth, modulation format and source coding. The ideal software radio cannot be realised until DSP, Analogue to Digital (A/D) and Digital to Analogue (D/A) technology has advanced sufficiently. Until these advances have been made, it is often necessary to sacrifice optimum performance in order to achieve real-time operation. This Thesis investigates practical real-time algorithms for carrier frequency synchronisation, symbol timing synchronisation, modulation, demodulation and FEC. Included in this work are novel software-based transceivers for continuous-mode transmission, burst-mode transmission, frequency modulation, phase modulation and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). Ideal applications for this work combine the requirement for flexible baseband signal processing and a relatively low data rate. Suitable applications for this work were identified in low-cost satellite return links, and specifically in asymmetric satellite Internet delivery systems. These systems employ a high-speed (>>2Mbps) DVB channel from service provider to customer and a low-cost, low-speed (32-128 kbps) return channel. This Thesis also discusses asymmetric satellite Internet delivery systems, practical considerations for their implementation and the techniques that are required to map TCP/IP traffic to low-cost satellite return links

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Cognitive Radio for Emergency Networks

In the scope of the Adaptive Ad-hoc Freeband (AAF) project, an emergency network built on top of Cognitive Radio is proposed to alleviate the spectrum shortage problem which is the major limitation for emergency networks. Cognitive Radio has been proposed as a promising technology to solve todayâ?~B??~D?s spectrum scarcity problem by allowing a secondary user in the non-used parts of the spectrum that aactully are assigned to primary services. Cognitive Radio has to work in different frequency bands and various wireless channels and supports multimedia services. A heterogenous reconfigurable System-on-Chip (SoC) architecture is proposed to enable the evolution from the traditional software defined radio to Cognitive Radio

Exploring Smart Infrastructure Concepts to Improve the Reliability and Functionality of Safety Oriented Connected Vehicle Applications

Cooperative adaptive cruise control (CACC), a form of vehicle platooning, is a well known connected vehicle application. It extends adaptive cruise control (ACC) by incorporating vehicle-to-vehicle communications. A vehicle periodically broadcasts a small message that includes in the least a unique vehicle identifier, its current geo-location, speed, and acceleration. A vehicle might pay attention to the message stream of only the car ahead. While CACC is under intense study by the academic community, the vast majority of the relevant published literature has been limited to theoretical studies that make many simplifying assumptions. The research presented in this dissertation has been motivated by our observation that there is limited understanding of how platoons actually work under a range of realistic operating conditions. Our research includes a performance study of V2V communications based on actual V2V radios supplemented by simulation. These results are in turn applied to the analysis of CACC. In order to understand a platoon at scale, we resort to simulations and analysis using the ns3 simulator. Assessment criteria includes network reliability measures as well as application oriented measures. Network assessment involves latency and first and second order loss dynamics. CACC performance is based on stability, frequency of crashes, and the rate of traffic flow. The primary goal of CACC is to maximize traffic flow subject to a maximum allowed speed. This requires maintaining smaller inter-vehicle distances which can be problematic as a platoon can become unstable as the target headway between cars is reduced. The main contribution of this dissertation is the development and evaluation of two heuristic approaches for dynamically adapting headway both of which attempt to minimize the headway while ensure stability. We present the design and analysis of a centralized and a distributed implementation of the algorithm. Our results suggest that dynamically adapting the headway time can improve the overall platoon traffic flow without the platoon becoming unstable