Low-complexity techniques for ultra-wideband communication systems [Elektronische Ressource] / Martin Weisenhorn

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 13
• Langue: English
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Extrait

Low-Complexity Techniques for Ultra-Wideband
Communication Systems
Martin WeisenhornTechnische Universität München
Fachgebiet Methoden der Signalverarbeitung
Low-Complexity Techniques for Ultra-Wideband
Communication Systems
Martin Weisenhorn
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Elektrotechnik und Information-
stechnik der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen
Grades eines
Doktor-Ingenieurs
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.techn. Peter Russer
Prüfer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Utschick
2. Ao.Univ.-Prof. Dr.techn. Franz Hlawatsch,
Technische Universität Wien/Österreich
Die Dissertation wurde am 12.06.2006 bei der Technischen Universität München
eingereicht und durch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik am
29.01.2007 angenommen.Meiner Familie gewidmetAcknowledgements
I would like to express my sincere gratitude to the supervisor of my doctoral thesis Prof. Wolfgang
Utschick from the Technische Universität München. He pointed out the IBM Research Labora-
tory in Rüschlikon as a potential employer for me, where I started to work towards my doctoral
thesis. From the initial stage until completion of this work he gave me valuable inspiration. Partic-
ular were his suggestions regarding partial channel information, multiple antenna systems and the
presentation of the content.
In the same way, my thanks go to Prof. Franz Hlawatsch from the Vienna University of Tech-
nology. He taught me the basics of writing technical text and to love precise argumentation and
clear representation. Also, I am thankful for his technical suggestions improving my work consid-
erably and for his effort in helping me make the thesis more graspable.
I wish to sincerely thank Walter Hirt for having been my mentor at the Sensor Networks Group
of the IBM Research Laboratory. With just the right portion of guidance, he tought me how to
find a topic within a new research field. He encouraged me to try out new ideas and helped me to
question them critically. His confidence in the significance of my work motivated me to bring it to
the conclusion.
Besides Walter Hirt, my thanks go to Pierre Cheviallat, my senior at the IBM Research Lab-
oratory. With his educated person he enriched my "lab-life" through colorful discussions about
technology, God and the world. In particular, I am grateful that he made it possible for me to work
in the same topic during my entire stay at IBM.
I heartly thank my parents for the freedom they gave me and for having steadily supported my
goals.
A big thank you goes to Jaleh for her understanding during the many hours I was occupied
with my work. Maybe she contributed less to technical issues, but much in enabling them.Abstract
Ultra-wideband communication systems use radio signals whose bandwidth is in the range of some
hundred MHz to several GHz. The first application of these signals was military radar. The reasons
for using signals with such an extremely large bandwidth are manifold. The resulting high temoral
signal-resolution is a prerequisit for precise radar systems. Radio channels with dense multipath
propagation achieve high multipath diversity, which can be used to improve the robustness and
capacity of the communication channel. Furthermore, the large bandwidth allows to transmit sig-
nals with a small power spectral density such that, the interference to other radio signals will be
negligible, even if they lie within the same frequency band.
With the advances in integrated circuit technology made in the past years, the opportunity
has come to use these signals also for civil communication, position location, and radar appli-
cations. However, the large signal bandwidth is still an obstacle when it comes to implementing
low power devices that are simple and at the same time take full advantage of the capabilities of
ultra-wideband radio. Therefore, practical systems cannot exploit all the benefits offered by UWB
signals.
In this work the focus is on low-complexity receiver architectures for communication systems.
These architectures are found by identifying the receiver tasks whose implementation is complex
or which require a high signal-processing speed. Accordingly, a simple receiver should not per-
form channel estimation or equalization. As a consequence, the receiver must be noncoherent.
This conclusion is confirmed by deriving the optimum (maximum-likelihood) receiver, under the
assumption that the receiver has no information about the propagation channel. Many important
properties of the noncohrerent receiver are discussed, such as sensitivity, vulnerability to narrow-
band interference, and robustness to synchronization inaccuracies. Furthermore, an approach for
the robust design of a key system parameter, the integration duration, is derived for some simpli-
fying assumptions on the propagation channel.
A meaningful extension of this simple noncoherent receiver is obtained by assuming that
the receiver knows the power delay profile of the propagation channel. The resulting maximum-
likelihood receiver is derived and its performance is compared with that of the simpler receiver
which has no channel information. Another extension is to use more than one receiver antenna,
each, leading to a separate noncoherent receiver. The reasonable distance between the receiver an-
tennas is discussed, i.e., whether micro diversity or macro diversity can be exploited. The optimum
scheme to combine the individual received signals is derived and the performance of this optimum
scheme is compared with the suboptimum selection-combining scheme.
A totally different approach to simplify receivers consists in designing the transmit signal such
that the signal acquisition gets simple. A novel multiple access scheme for uncoordinated users,
called rate division multiple access, follows this idea.Kurzfassung
Ultra breitbandige (UWB) Kommunikationssysteme verwenden Funksignale deren Bandbreite
zwischen einigen hundert MHz bis zu einigen GHz liegt. Erstmals wurden derart breitbandige
Funksignale für militärische Radaranlagen verwendet. Die Gründe für die Benützung grosser Sig-
nalbandbreiten sind vielfältig: Die resultierende hohe zeitliche Signalauflösung ist Voraussetzung
für Radar mit hoher Genauigkeit. Bei Funkkanälen mit dichter Mehrpfad-Ausbreitung führt Sie zu
einer entsprechend grossen Mehrpfad-Diversität, welche die Robustheit und Kapazität des Kom-
munikationskanals verbessern kann. Die grosse Bandbreite erlaubt es ausserdem, Signal mit einer
geringen spektralen Leistungsdichte auszusenden, sodass die Interferenz auf Funksignale gering
bleibt auch wenn diese im selben Frequenzband liegen.
In den letzten Jahren wurden auf dem Gebiet der Halbleitertechnik grosse Fortschritte in Rich-
tung höher Schaltgeschwindigkeit bei gleichzeitig geringerer Leistungsaufnahme gemacht. Damit
ist es möglich geworden, UWB Signale auch für Massenanwendungen einzusetzen. Dennoch ist
die grosse Bandbreite von UWB Systemen nach wie vor ein Hindernis beim Bau von günstigen
Geräten die gleichzeitig alle Vorteile von UWB Signalen auszunützen und wenig Energie ver-
brauchen. Deshalb können praktische Systeme nicht alle Vorteile gleichzeitig nützen, die durch
die Verwendung von UWB Signal potenziell zur Verfügung stehen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit einfachen Empfängerarchitekturen für Kommunikationssys-
teme. Solch werden gefunden indem, an sich sinvolle aber aufwendige, Signalverarbeitungsschritte
eines Empfängers identifiziert und vermieden werden. Einer der aufwendigsten Verarbeitungss-
chritte ist die Kanalschätzung und die Korrektur des Kanals durch einen Equalizer. Wird auf die
Kanalschätzung verzichtet, so folgt, dass der Empfänger nichtkohärent sein muss. Diese Folgerung
wird bestätigt durch eine mathematische Herleitung des optimalen bzw. Maximum-Likelihood-
Empfängers der den Übertragungskanal nicht kennt.
Der nichkohärente Empfänger unterscheidet sich wesentlich vom kohärenten Empfänger in
den Eigenschaften Sensitivität, Empfindlichkeit gegenüber schmalbandigen Störsignalen und der
Empfindlichkeit gegenüber Ungenauigkeiten in der Synchronisation. Diese Eigenschaften werden
theoretisch und/oder mittels Simulation untersucht. Beim nichtkohärenten Empfänger ist die soge-
nannte Integrationsdauer ein Schlüsselparameter. Dieser Parameter wird, für einige vereinfachende
Annahmen über den Kanal, so gewählt, dass der Empfänger robust gegenüber Kanaländerungen
ist.
Eine Erweiterung dieses einfachen nichtkohärenten Empfägners erhält man unter der An-
nahme, dass der Empfänger Kenntnis über das power-delay Profil der Kanalimpulsantwort be-
sitzt und ausnützt. Der entsprechende Maximum-Likelihood-Empfänger wird hergeleitet. Eine
andere Erweiterung des einfachen nichtkohärenten Empfängers besteht in der Verwendung von
mehereren Empfangsantennen, von denen jede auf einen separaten nichkohärenten Empfänger
führt. In die