Design and performance of a flexible wavelet-based multicarrier modulation for wireless communications [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Antony Jamin

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Design and performance
of a exible wavelet-based
multicarrier modulation
for wireless communications
Von der Fakult at fur Elektrotechnik und Informationstechnik der
Rheinisch-Westf alischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung
des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vergelegt von
Diplom-Ingenieur
Antony Jamin
aus Montaigu, France
Berichter: Universit atsprofessor Dr. Petri M ah onen
Universit Dr.-Ing. Peter Vary
Tag der mundlic hen Prufung: 08. Dezember 2008
Diese Dissertation ist auf den Interseiten
der Hochschulebibliothek online verfugbar.Acknowledgments
A thesis is always a personal challenge and this one was no exception. The
research work which it is based on has been carried over ten years, ve
countries and ve positions. It comes therefore at no surprise that I am in
debt to a number of people who have helped and supported me during this
adventure.
First, I would like to express my gratitude to Professor Petri M ah onen
who has been my supervisor from the time I came to Finland to complete
my Engineering Diploma. Over the years, he has stepped in on numerous
occasion to ensure I was given the time and support required to carry on
this research work. I have learnt much from him, more in fact than he would
take the credit for.
My thanks are due to the second referee, Prof. Dr.-Ing Peter Vary and
the PhD examination comittee members Prof. Dr.-Ing. Stephan Heinen
and Prof. Renato Negra for their constructive criticism.
Over the years, I have had the opportunity of working with a number
of great people. My particular thanks go to the members of my research
groups in both Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus (VTT, The National
Research Centre of Finland) and Oulu University. I am also indebted to
Dr. Donnacha Daly for the numerous discussions we had on multicarrier
modulations while working at Advanced Communications Networks. More
recently, I had the pleasure to meet the great team of the Department of
Wireless Networks at RWTH Aachen University. Special thanks to Matthias
Wellens, Martin Gercke and Marten Bandholz for helping me to produce
the German abstract for this thesis.
I gratefully acknowledge the support provided in numeous ways by VTT,
Oulu University and Motorola.
Last but not least, I owe my loving thanks to my wife for her support
but also for managing not to fall asleep while proof-reading the text of this
manuscript.
A. Jamin
October 5th, 2009Zusammenfassung
Im Laufe des letzten Jahrzehnts fuhr te der Fortschritt in der digitalen Sig-
nalverarbeitung zu grossen Veranderungen in der Welt der drahtlosen Kom-
munikation. Insbesondere der Ubergang von einem auf mehrere Tagerr er-
brachte einen bedeutenden Leistungsanstieg. Bis heute setzt jedoch prak-
tisch keine kommerzielle Anwendung Mehrtr agermodulation ein, die auf
einem anderen als dem Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM)
Verfahren basiert. In dieser Dissertation wird der Entwurf und das Leis-
tungsverhalten der Wavelet-Paketmodulation (WPM) analysiert, einer al-
ternativen Mehrtr agermodulation auf der Basis der Wavelet-Pakettrans-
formation. W ahrend der Ersatz von Sinuswellen durch Wavelets als Un-
tertr agerwellenformen konzeptionell eine simple Anderung ist, erlaubt das
neue Modulationsschema darub er hinaus, von den Eigenschaften der viel-
seigtigen Wavelet Paket Transformation (WPT) zu pro tieren.
Die Doktorarbeit beginnt mit den mathematischen Grundlagen der Wa-
velet-Pakettransformation, dem Kern einer WPM Sendeempfangseinheit.
Deren Aufbau sowie die Architektur der Implementierung werden hergeleitet
und verglichen. Im Besonderen wird dargelegt, dass die WPT mehr Frei-
heitsgrade als die diskrete Fouriertrans-formation (DFT) bietet, und es wird
erkl art, wie dieser Zugewinn an Freiheit in einem drahtlosen Kommunika-
tionssystem genutzt werden kann. Es wird ub er das Leistungsverhalten
dieses neuen Schemas ub er verschiedene drahtlose Kan ale berichtet und der
Unterschied zu OFDM wird, wann immer relevant, hervorgehoben. Die
Frage der Entzerrung (equalisation) eines WPM Signals wird ausfuhrlic h
diskutiert und quantitativ mit der extrem e zienten Schutzintervall-ba-
sierten OFDM Entzerrungsmethode verglichen. Da es fur den erfolgrei-
chen Einsatz von kommerziellen Systemen von ebenso hoher Bedeutung
ist, wurde das Leistungsverhalten der WPM auch bei ublic hen Systemverz-
errungen wie einem Versatz der Abtastfrequenz und nicht linearem Ver-
halten des Leistungsverst arkers beinahe vollst andig untersucht. Eine Syn-
chronisationsmethode, die auch einen grossen Versatz der Abtastfrequenz
toleriert, wird ebenfalls vorgeschlagen. Schliesslich wird das Leistungsver-
halten der WPM bei Einsatz ub er einen drahtlosen Kommunikationskanal
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als zu OFDM vergleichbar dargelegt. Die Entzerrung in OFDM-Systemen
ist jedoch dank des Einsatzes des Schutzintervalls einfacher. Da die Kom-
plexit at der Implementierung beider Ansatze von gleicher Grossenordnung
ist, liegt der Vorteil der WPM unbestreitbar in dem gebotenen Freiheits-
grad. Die M oglichkeit, sowohl ein bestimmtes Wavelet als auch eine be-
liebige Zerlegung im Zeit-Frequenz-Raum zu w ahlen, bietet die Chance, das
modulierte Signal entsprechend der jeweils vorliegenden Applikation zu op-
timieren. Dennoch verbleibt weitere Forschungsarbeit im Bereich Entzer-
rung, damit WPM eine Rolle in Kommunikationssystemen der n achsten
Generation spielt.Abstract
In the last decade, progress in digital signal processing has led to major
changes in the wireless communication world. In particular, the transition
from single carrier to multicarrier has resulted in a signi cant improvement
in performance. To this day, however, virtually no commercial application
uses a multicarrier modulation based on anything else than Orthogonal Fre-
quency Division Multiplex. This thesis analyses the design and performance
of the Wavelet Packet Modulation, an alternative multicarrier modulation
based on the wavelet packet transform. While swapping sine waves for
wavelets as subcarrier waveforms is conceptually a simple change, it does
allow the new modulation scheme to bene t from the properties of the ver-
satile transform that the Wavelet Packet Transform is.
This study begins with the mathematical basis of the Wavelet Packet
Transform, the core element of a Wavelet Packet Modulation transceiver.
Its design and implementation architecture are derived and compared. In
particular, we show that the Wavelet Packet Transform has more degrees of
freedom than the Discrete Fourier Transform, and we explain how this extra can be exploited in a wireless communication system. The perfor-
mance of this new scheme over various wireless channels are reported and the
di erences with Orthogonal Frequency Division Multiplex are highlighted
whenever relevant. The issue of equalisation for Wavelet Packet Modula-
tion signal is extensively discussed and quantitative comparison with the
extremely e cient cyclic based Orthogonal Frequency Division Multiplex
equalisation method is made. As it is equally important for the success-
ful deployment of commercial systems, characterisation of Wavelet Packet
Modulation performance under common system distortion such as sampling
frequency o set and power ampli er non-linearity has almost been made.
A synchronisation method capable of tolerating large sampling frequency
o set is also proposed.
Overall, the performance of Wavelet Packet Modulation in wireless prop-
agation channel is shown to be comparable to the Orthogonal Frequency Di-
vision Multiplex scheme. Equalisation of the latter is however easier thanks
to the use of a cyclic pre x. As the implementation complexity of both
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schemes is of the same order, the advantage of Wavelet Packet Modulation
resides undeniably in its degree of freedom. The possibility of choosing both
a particular wavelet and an arbitrary decomposition in the time-frequency
domain gives the opportunity to optimise the modulated signal according
to the application at hand. Nevertheless, further work remains to be carried
out on equalisation in order for Wavelet Packet Modulation to have a role
in next generation communication systems.Contents
Contents 9
1 Introduction 1
1.1 State-of-the art wireless communication . . . . . 1
1.1.1 Standardised multicarrier modulations . . 2
1.1.2 WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 WMAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 On the evolution of wireless communications . . 11
1.2.1 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2 The need for adaptivity and flexibility . . 12
1.2.3 The ultimate wireless transceiver . . . . . . 14
1.3 Research domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Thesis outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Author’s published contributions & related work 17
2 Multicarrier modulations 19
2.1 Notations and conventions . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Multicarrier modulation . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 OFDM & derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 CMFB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 OQAM-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 FMT . . . . .