Ultra-wideband indoor communications using optical technology

La communication ultra large bande (UWB) a attiré une énorme quantité de recherches ces dernières années, surtout après la présentation du masque spectral de US Federal Communications Commission (FCC). Les impulsions ultra-courtes permettent de très hauts débits de faible puissance tout en éliminant les interférences avec les systèmes existants à bande étroite. La faible puissance, cependant, limite la portée de propagation des radios UWB à quelques mètres pour la transmission sans fil à l’intérieur d’une pièce. En outre, des signaux UWB reçu sont étendus dans le temps en raison de la propagation par trajet multiple qui résulte en beaucoup d’interférence inter-symbole (ISI) à haut débit. Le monocycle Gaussien, l’impulsion la plus commune dans UWB, a une mauvaise couverture sous le masque de la FCC. Dans cette thèse, nous démontrons des transmet- teurs qui sont capables de générer des impulsions UWB avec une efficacité de puissance élevée. Une impulsion efficace résulte dans un rapport de signal à bruit (SNR) supérieur au récepteur en utilisant plus de la puissance disponible sous le masque spectral de la FCC. On produit les impulsions dans le domaine optique et utilise la fibre optique pour les transporter sur plusieurs kilomètres pour la distribution dans un réseau optique pas- sif. La fibre optique est très fiable pour le transport des signaux radio avec une faible consommation de puissance. On utilise les éléments simples comme un modulateur Mach-Zehnder ou un résonateur en anneau pour générer des impulsions, ce qui permet l’intégration dans le silicium. Compatible avec la technologie CMOS, la photonique sur silicium a un potentiel énorme pour abaisser le coût et l’encombrement des systèmes optiques. La photodétection convertit les impulsions optiques en impulsions électriques avant la transmission sur l’antenne du côté de l’utilisateur. La réponse fréquentielle de l’antenne déforme la forme d’onde de l’impulsion UWB. Nous proposons une technique d’optimisation non-linéaire qui prend en compte la distorsion d’antenne pour trouver des impulsions qui maximisent la puissance transmise, en respectant le masque spectral de la FCC. Nous travaillons avec trois antennes et concevons une impulsion unique pour chacune d’entre elle. L’amélioration de l’énergie des impulsions UWB améliore directement la SNR au récepteur. Les résultats de simulation montrent que les impulsions optimisées améliorent considérablement le taux d’erreur (BER) par rapport au monocycle Gaussien sous propagation par trajet multiple. Notre autre contribution est l’évaluation d’un filtre adapté pour recevoir efficacement des impulsions UWB. Le filtre adapté est synthétisé et fabriqué en technologie microstrip, en collaboration avec l’Université McGill comme un dispositif de bande interdite électromagnétique. La réponse fréquentielle du filtre adapté montre une ex- cellente concordance avec le spectre ciblé de l’impulsion UWB. Les mesures de BER confirment la performance supérieure du filtre adapté par rapport à un récepteur à conversion directe. Le canal UWB est très riche en trajet multiple conduisant à l’ISI à haut débit. Notre dernière contribution est l’étude de performance des récepteurs en simulant un système avec des conditions de canaux réalistes. Les résultats de la simulation montrent que la performance d’un tel système se dégrade de façon significative pour les hauts débits. Afin de compenser la forte ISI dans les taux de transfert de données en Gb/s, nous étudions l’algorithme de Viterbi (VA) avec un nombre limité d’états et un égaliseur DFE (decision feedback equalizer). Nous examinons le nombre d’états requis dans le VA, et le nombre de coefficients du filtre dans le DFE pour une transmission fiable de UWB en Gb/s dans les canaux en ligne de vue. L’évaluation par simulation de BER confirme que l’égalisation améliore considérablement les performances par rapport à la détection de symbole. La DFE a une meilleure performance par rapport à la VA en utilisant une complexité comparable. La DFE peut couvrir une plus grande mémoire de canal avec un niveau de complexité relativement réduit.Ultra-wideband (UWB) communication has attracted an enormous amount of research in recent years, especially after the introduction of the US Federal Communications Commission (FCC) spectral mask. Ultra-short pulses allow for very high bit-rates while low power eliminates interference with existing narrowband systems. Low power, however, limits the propagation range of UWB radios to a few meters for indoors wireless transmission. Furthermore, received UWB signals are spread in time because of multipath propagation which results in high intersymbol interference at high data rates. Gaussian monocycle, the most commonly employed UWB pulse, has poor coverage under the FCC mask. In this thesis we demonstrate transmitters capable of generating UWB pulses with high power efficiency at Gb/s bit-rates. An efficient pulse results in higher signal-to-noise ratio (SNR) at the receiver by utilizing most of the available power under the FCC spectral mask. We generate the pulses in the optical domain and use optical fiber to transport the pulses over several kilometers for distribution in a passive optical network. Optical fiber is very reliable for transporting radio signals with low power consumption. We use simple elements such as a Mach Zehnder modulator or a ring resonator for pulse shaping, allowing for integration in silicon. Being compatible with CMOS technology, silicon photonics has huge potential for lowering the cost and bulkiness of optical systems. Photodetection converts the pulses to the electrical domain before antenna transmission at the user side. The frequency response of UWB antennas distorts the UWB waveforms. We pro- pose a nonlinear optimization technique which takes into account antenna distortion to find pulses that maximize the transmitted power, while respecting the FCC spectral mask. We consider three antennas and design a unique pulse for each. The energy improvement in UWB pulses directly improves the receiver SNR. Simulation results show that optimized pulses have a significant bit error rate (BER) performance improvement compared to the Gaussian monocycle under multipath propagation. Our other contribution is evaluating a matched filter to receive efficiently designed UWB pulses. The matched filter is synthesized and fabricated in microstrip technology in collaboration with McGill University as an electromagnetic bandgap device. The frequency response of the matched filter shows close agreement with the target UWB pulse spectrum. BER measurements confirm superior performance of the matched filter compared to a direct conversion receiver. The UWB channel is very rich in multipath leading to ISI at high bit rates. Our last contribution is investigating the performance of receivers by simulating a system employing realistic channel conditions. Simulation results show that the performance of such system degrades significantly for high data rates. To compensate the severe ISI at gigabit rates, we investigate the Viterbi algorithm (VA) with a limited number of states and the decision feedback equalizer (DFE). We examine the required number of states in the VA, and the number of taps in the DFE for reliable Gb/s UWB trans- mission for line-of-sight channels. Non-line-of-sight channels were also investigated at lower speeds. BER simulations confirm that equalization considerably improves the performance compared to symbol detection. The DFE results in better performance compared to the VA when using comparable complexity as the DFE can cover greater channel memory with a relatively low complexity level

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

[no abstract

Receiver design for nonlinearly distorted OFDM : signals applications in radio-over-fiber systems

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 201

Retournement temporel : application aux réseaux mobiles

This thesis studies the time reversal technique to improve the energy efficiency of future mobile networks and reduce the cost of future mobile devices. Time reversal technique consists in using the time inverse of the propagation channel impulse response (between a transceiver and a receiver) as a prefilter. Such pre-filtered signal is received with a stronger power (this is spatial focusing) and with a strong main echo, relatively to secondary echoes (this is time compression). During a previous learning phase, the transceiver estimates the channel by measuring the pilot signal emitted by the receiver. Space-time focusing is obtained only at the condition that the propagation remains identical between the learning phase and the data transmission phase: this is the ‘channel reciprocity’ condition. Numerous works show that spatial focusing allows for the reduction of the required transmit power for a given target received power, on the one hand, and that time compression allow for the reduction of the required complexity at the receiver side to handle multiple echoes, on the other hand. However, studies on complexity reduction are limited to ultra wideband. Some works of this thesis (based on simulations and experimental measurements) show that, for bands which are more typical for future networks (a carrier frequency of 1GHz and a spectrum of 30 MHz to 100 MHz), thanks to time reversal, a simple receiver and a mono-carrier signal are sufficient to reach high data rates. Moreover, the channel reciprocity condition is not verified in two scenarios which are typical from mobile networks. Firstly, in most European mobile networks, the frequency division duplex mode is used. This mode implies that the transceiver and the receiver communicate on distinct carriers, and therefore through different propagation channels. Secondly, when considering a receiver on a moving connected vehicle, the transceiver and the receiver communicate one with each other at distinct instants, corresponding to distinct positions of the vehicles, and therefore through different propagation channels. Some works of this thesis propose solutions to obtain space-time focusing for these two scenarios. Finally, some works of this thesis explore the combination of time reversal with other recent signal processing techniques (spatial modulation, on the one hand, a new multi-carrier waveform, on the other hand), or new deployment scenarios (millimeter waves and large antenna arrays to interconnect the nodes of an ultra dense network) or new applications (guidance and navigation) which can be envisaged for future mobile networks.Cette thèse étudie la technique dite de ‘Retournement Temporel’ afin d’améliorer l’efficacité énergétique des futurs réseaux mobiles d’une part, et réduire le coût des futurs terminaux mobiles, d’autre part. Le retournement temporel consiste à utiliser l’inverse temporel de la réponse impulsionnelle du canal de propagation entre un émetteur et un récepteur pour préfiltrer l’émission d’un signal de données. Avantageusement, le signal ainsi préfiltré est reçu avec une puissance renforcée (c’est la focalisation spatiale) et un écho principal qui est renforcé par rapport aux échos secondaires (c’est la compression temporelle). Lors d’une étape préalable d’apprentissage, l’émetteur estime le canal en mesurant un signal pilote provenant du récepteur. La focalisation spatiotemporelle n’est obtenue qu’à condition que la propagation demeure identique entre la phase d’apprentissage et la phase de transmission de données : c’est la condition de ‘réciprocité du canal’. De nombreux travaux montrent que la focalisation spatiale permet de réduire la puissance émise nécessaire pour atteindre une puissance cible au récepteur d’une part, et que la compression temporelle permet de réduire la complexité du récepteur nécessaire pour gérer l’effet des échos multiples, d’autre part. Cependant, les études sur la réduction de la complexité du récepteur se limitent à l’ultra large bande. Des travaux de cette thèse (basés sur des simulations et des mesures expérimentales) montrent que pour des bandes de fréquences plus typiques des futurs réseaux mobiles (fréquence porteuse à 1GHz et spectre de 30 MHz à 100 MHz), grâce au retournement temporel, un récepteur simple et un signal monoporteuse suffisent pour atteindre de hauts débits. En outre, la condition de réciprocité du canal n’est pas vérifiée dans deux scénarios typiques des réseaux mobiles. Tout d’abord, dans la plupart des réseaux mobiles européens, le mode de duplex en fréquence est utilisé. Ce mode implique que l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre sur des fréquences porteuses distinctes, et donc à travers des canaux de propagations différents. De plus, lorsqu’on considère un récepteur sur un véhicule connecté en mouvement, l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre à des instants distincts, correspondants à des positions distinctes du véhicule, et donc à travers des canaux de propagations différents. Des travaux de cette thèse proposent des solutions pour obtenir la focalisation spatio-temporelle dans ces deux scenarios. Enfin, des travaux de la thèse explorent la combinaison du retournement temporel avec d’autres techniques de traitement de signal récentes (la modulation spatiale, d’une part, et une nouvelle forme d’onde multiporteuse, d’autre part), ou des scenarios de déploiement nouveaux (ondes millimétriques et très grands réseaux d’antennes pour inter-connecter les noeuds d’un réseau ultra dense) ou de nouvelles applications (guidage et navigation) envisageables pour les futurs réseaux mobiles

Experimental Investigation Of Ultrawideband Wireless Systems: Waveform Generation, Propagation Estimation, And Dispersion Compensation

Ultrawideband (UWB) is an emerging technology for the future high-speed wireless communication systems. Although this technology offers several unique advantages like robustness to fading, large channel capacity and strong anti-jamming ability, there are a number of practical challenges which are topics of current research. One key challenge is the increased multipath dispersion which results because of the fine temporal resolution. The received response consists of different components, which have certain delays and attenuations due to the paths they took in their propagation from the transmitter to the receiver. Although such challenges have been investigated to some extent, they have not been fully explored in connection with sophisticated transmit beamforming techniques in realistic multipath environments. The work presented here spans three main aspects of UWB systems including waveform generation, propagation estimation, and dispersion compensation. We assess the accuracy of the measured impulse responses extracted from the spread spectrum channel sounding over a frequency band spanning 2-12 GHz. Based on the measured responses, different transmit beamforming techniques are investigated to achieve high-speed data transmission in rich multipath channels. We extend our work to multiple antenna systems and implement the first experimental test-bed to investigate practical challenges such as imperfect channel estimation or coherency between the multiple transmitters over the full UWB band. Finally, we introduce a new microwave photonic arbitrary waveform generation technique to demonstrate the first optical-wireless transmitter system for both characterizing channel dispersion and generating predistorted waveforms to achieve spatio-temporal focusing through the multipath channels