On the Development of a Very Fast Simulator for TH-UWB Systems = Sobre el Desarrollo de un Simulador Rápido para los Sistemas TH-UWB

Marjanovic, Marina (2007). On the Development of a Very Fast Simulator for TH-UWB Systems = Sobre el Desarrollo de un Simulador Rápido para los Sistemas TH-UWB. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.1060.


Title: On the Development of a Very Fast Simulator for TH-UWB Systems = Sobre el Desarrollo de un Simulador Rápido para los Sistemas TH-UWB
  • Marjanovic, Marina
  • Páez Borrallo, José Manuel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: May 2007
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Impulse Radio-Time Hopping-Ultra Wideband (IR-TH-UWB) is a relatively new technology that might have a big effect on improving wireless communication. Multipath resistance, low power, high capacity, coexistence with other systems, ability of penetrating walls are some of the characteristics that make this system very attractive for a Short Range Wireless Communications, such as deployed in Wireless Local Area Network (WLAN) and Wireless Personal Area Network (WPAN). This technology uses short pulses in order to transmit large amounts of digital data over a wide spectrum of frequency bands with a very low power. Unfortunately, in order to process ultrawideband signals, an extremely large sampling rate is mandatory. In a straightforward approach, with the constant sampling rate, the length of the array that contains the bit samples can be very large, depending on the relationship between the duty cycle and the bit rate. Since this array should pass through the chain of blocks that model the channel and receiver responses, it is obvious that a large number of convolutions should be done. Thus, even in very fast workstations, the total computing time in order to estimate BER can be very high. This fact significantly reduces the efficiency of the simulator. Furthermore, as mentioned in this thesis, applying direct/quadrature signal decomposition to UWB signals, which is fundamental technique used to shorten the required simulation runtime, it is not possible to mitigate a large sampling frequency. In this thesis, a complete Pulse Position Modulation (PPM) TH-UWB system is simulated using the high-speed system simulator, which is the innovation of our research group. This method takes advantage of some of the properties of this kind of systems in order to provide a very straightforward and fast processing that improves all the previous designs several orders of magnitude, independently on the sampling rate. Comparing to previous simulators, sampling frequency can be as high as needed, since the simulation run-time does not depend on it. Transmitted signal is stored in the Transmitted Distorted Received (TDR) waveform vector, thus it is not necessary to operate with the signal samples in every simulation. The only influence of the sampling rate is on the length of the TDR waveform vector. The algorithm complexity is linear with the number of users, frames, multipath components, and rake fingers. In order to develop the simulation code, an important step in every simulation process is definition of the attributes of the physical device that affect the required simulation products, i.e. Bit Error Rate (BER). One of those attributes in IR-TH-UWB systems is synchronization that produces alignment of transmitter and receiver clocks, so information can be accurately exchanged. Particularly with PPM, synchronization is essential to correct demodulation of the received signals because information is conveyed in the time position of the pulse. Another critical task for successful operation of UWB systems is a multiuser detection. Some papers show that MMSE receiver has the best performance in terms of SINR at the expense of high computational complexity since it requires the matrix inversion every time the spreading sequence changes. Thus, there are no many literatures dealing with this topic, especially not in UWB systems in the presence of real multipath environment. Unfortunately, since the transmitted signal is stored in the TDR waveform vector, it is very difficult to extract it. Thus, implementation of those tasks (synchronization, channel estimation and multiuser detection) might be a big problem for system simulation. Therefore, this thesis has two main parts. In the first part of the thesis, a joint symbol, frame and chip synchronization method for PPM IR-TH-UWB system in the presence of dense multipath environment is proposed. It is assumed that the channel is estimated using Pilot Waveform Assisted Modulation (PWAM), and that synchronization is achieved by maximizing the energy of the estimated multipath channel. Based on this method for synchronization in combination with PWAM method for channel estimation, FFT operations that are used in many works are avoided and the algorithm has a very low complexity. Additionally, in order to even more increase the speed of simulation process; this method is implemented in the enhanced time algorithm. Therefore, algorithm that this thesis proposes can deal with channels with a large number of taps that are difficult to estimate using the existing algorithms. Thanks to this approach, low complexity for real time implementation and the good performance in terms of BER versus Signal to Noise Ratio (SNR) are achieved. Simulation shows that this synchronization system helps to mitigate the negative effects of timing offset. In the second part of the thesis, MMSE receiver for PPM IR-TH-UWB systems using a high-speed system simulator is implemented. Implementation of any multiuser detector in this algorithm was also a difficult task (as was for synchronization), since a transmitted signal is ‘hidden’ in TDR and a typical multiuser structure with a correlation matrix does not exist. Therefore, applying this method, in this thesis, a new approach of multiuser detection is achieved. Since the transmitted waveform is stored in the TDR, it is not necessary to operate with the signal samples in every simulation. Thus, correlation matrix should be recalculated only when the channel conditions change. Depending on the channel coherence time and the bit rate, it is possible to find the number of bits that can be simulated without alerting the correlation matrix. The only influence of the sampling rate is the length of the TDR. Derived results show that this effect is disregarded. Therefore, it can be considered that the simulation speed is approximately independent on the sampling rate. Additional advantage of this approach is that the complexity of the algorithm is linear with the number of users, frames, multipath components, and RAKE fingers. Furthermore, with this approach, it is possible to reduce the simulation process significantly by avoiding any convolution operation, which is the most time-consuming. Relaying on this approach, number of simulation operations needed to evaluate MMSE receiver matrix are reduced. Thus, it is possible to process a large number of samples and to estimate accurately low BER in a short time application. In addition, I derived a theoretical formula of the performance of the MMSE detector for PPM IR-TH-UWB based on this new approach. This new formula is validated by comparing results to some other results based on some previous researches. Both tasks, synchronization and the new approach of multiuser detection proposed in this thesis, give a good performance in terms of low complexity, fast processing and BER versus Signal to Noise Ratio (SNR) performance. All results are evaluated using the proposed algorithm and simulations are provided in order to validate this implementation. They demonstrate that the simulation time linearly grows with the number of users and the number of frames. The main gain of this thesis is that the complexity of the algorithm in order to calculate the complete PPM IR-TH-UWB system is Nh times lower comparing to previous methods, where Nh is a number of chips in those systems. Therefore, assuming a large spreading factor of the UWB signals, this algorithm yields a large saving of computational time comparing to the previous designs. With this accurate flexible simulation model; we might analyze the performance of the TH-UWB system and the impact of different factors of TH-UWB systems (the number of users, waveform design time-hopping codes, channel models, receivers…) and achieve a low BER in a real time application even in the presence of reach multipath environment. This thesis consists on five chapters. In the first chapter of this thesis, the fundamentals of UWB system are overviewed. Within the following sections, topics covered are UWB history, features and applications of UWB system, types of UWB signals, UWB spectrum and regulations and some of the possible problems of this system. The second chapter gives an overview of MA UWB system design, including a transmitter design. Additionally, this chapter presents the overall system model and notation convention that I have used throughout this thesis. In addition, two statistical models for UWB channel are presented based on data collected from extensive UWB propagation measurements. Saleh-Valenzuela and based on Saleh-Valenzuela, model proposed by Intel that will be employed for the purposes of this thesis are described. This channel model was made with one slight modification since the observations have shown that the lognormal distribution better fits the measurement data. Additionally, the second chapter provides a description of a single user and multiuser receiver structure, assuming perfect synchronization and perfect channel estimation. As an optimum single user receiver, selective RAKE receiver is used for the purposes of this thesis and as a multiuser receiver, MMSE RAKE is employed. In addition, as a one part of the contribution of this thesis low complexity method for synchronization is presented. With this approach, a low complexity for real time implementation and the good performance in terms of BER versus SNR are achieved. Since the UWB system requires taking a second look at simulation methodology, the chapter three covers the following tasks: Differences between UWB and traditional narrowband systems and difficulties in model development A brief review of the fundamental simulation methodologies. New IR-TH-UWB system simulator that is the innovation of our research group and will be used for the purposes of this thesis. In Chapter four, I implemented a MMSE RAKE receiver for Ultra-Wideband (UWB) system using a new time-hopping system simulator, achieving a novel approach of MUD. With this approach, it is possible to reduce the simulation time significantly by avoiding any convolution operation, which is the most time-consuming. Relaying on this approach, number of simulation operations needed to evaluate MMSE receiver matrix are reduced. Complexity of this algorithm is O(Nu*Nf*L*Lmax), while using Monte Carlo method complexity is Nh times higher. Thus, for systems with a very large spreading factor, as UWB is, this provides a large computational time saving. Additionally, I have derived a theoretical formula of the performance of MMSE RAKE receiver detector for PPM IR-TH-UWB based on this new approach and some previous researches. In chapter five, simulation results are provided in order to validate this approach. And it is shown that is possible to achieve very low BER for a certain system loading in a real time application. Los impulsos de radio de banda ultra ancha y salto en el tiempo (IR-TH-UWB) es una tecnología relativamente nueva que puede tener un fuerte impacto en el rendimiento de las comunicaciones inalámbricas. Resistencia a la propagación multitrayecto, bajos niveles de potencia, elevada capacidad, coexistencia con otros sistemas, capacidad de penetración en paredes, son algunas de las características que hacen que este sistema sea muy atractivo para Comunicaciones Inalámbricas de corto alcance, tales como Redes de Área Local inalámbricas (WLAN) y Redes de Área Personal inalámbricas (WPAN). Esta tecnología hace uso de pulsos de muy corta duración para transmitir grandes cantidades de datos digitales sobre un rango de frecuencias muy amplio a muy bajos niveles de potencia. Desafortunadamente, para el procesamiento de señales de banda ultra ancha, es necesaria una razón de muestreo extremadamente grande. En una aproximación sencilla, con una razón de muestreo constante, la longitud del array que contiene las muestras de bits, puede ser muy grande, dependiendo de la relación entre el ciclo útil y la tasa binaria. Ya que este array tiene que pasar a través de la cadena de bloques que modela el canal y la respuesta del receptor, es obvio que un elevado número de convoluciones tienen que ser realizadas. Por lo tanto, aun en ordenadores muy rápidos, el tiempo total de cómputo para estimar la BER puede ser muy alto. Este hecho reduce considerablemente la eficiencia del simulador. Además, como se menciona en esta tesis, aplicando descomposición de señal directa/ en cuadratura a las señales de UWB, que es una técnica fundamental usada para acortar el tiempo de simulación requerido, no es posible mitigar una elevada frecuencia de muestreo. En esta tesis, un sistema TH-UWB con modulación por posición de pulsos (PPM) es simulado utilizando el simulador de sistema de alta velocidad, el cual constituye una innovación de nuestro grupo de investigación. Este método aprovecha las ventajas de algunas de las propiedades de estos tipos de sistemas para facilitar un proceso rápido y directo que supere los diseños previos varios órdenes de magnitud, independientemente de la razón de muestreo. Comparándolo con los simuladores previos, la frecuencia de muestreo puede ser tan elevada como se necesite, ya que el tiempo de simulación no depende de esta. La señal transmitida es almacenada en el vector de forma de onda llamado Transmitted Distorted Received (TDR), por lo tanto, no es necesario operar con las muestras de señal en cada simulación. La única influencia de la razón de muestreo es en la longitud del vector de forma de onda TDR. La complejidad del algoritmo es lineal con el número de usuarios, tramas, componentes multitrayectos y ramas del receptor RAKE. Para desarrollar el código de simulación, un paso importante en cada proceso de simulación, es la definición de los atributos del dispositivo físico que afecta los productos de simulación requeridos, esto es, la tasa de bits erróneos (BER). Uno de estos atributos en sistemas IR-TH-UWB es la sincronización que produce la alineación de los relojes de relojes en transmisión y en recepción, de manera tal que la información puede ser intercambiada con exactitud. Particularmente con PPM, la sincronización es esencial para la correcta demodulación de las señales recibidas, ya que la información es portada en la posición que tienen los pulsos en el tiempo. Otra tarea crítica para la operación satisfactoria de los sistemas de UWB es la detección multi-usuario. Algunas publicaciones muestran que el receptor MMSE tiene el mejor rendimiento en términos de SINR a expensas de una elevada complejidad de cómputo, ya que requiere de la inversión de la matriz cada vez que la secuencia de esparcimiento cambia. Por lo tanto, no existe mucha literatura relacionadas con estos tópicos, especialmente en sistemas de UWB en la presencia de entornos reales con multitrayecto. Desafortunadamente, ya que la señal transmitida es almacenada en el vector de forma de onda TDR, resulta difícil extraerla. Por lo tanto la implementación de aquellas tareas (sincronización, estimación de canal y detección multi-usuario) podrían ser un gran problema en la simulación del sistema. Por lo tanto, la presente tesis se compone de dos partes. En la primera parte se propone un sistema del tipo PPM IR-TH-UWB con un procedimiento de sincronización conjunta de símbolo, trama y chip, en un entorno multitrayecto denso. Se asume que el canal es estimado usando Modulación Asistida por Formas de onda Pilotos (PWAM) y dicha sincronización es lograda a partir de maximizar la energía del canal multitrayecto estimado. Basado en este método para la sincronización en combinación con el método PWAM para la estimación de canal, las operaciones FFT que son usadas en muchos trabajos, son evitadas y el algoritmo presenta muy baja complejidad. Adicionalmente y con la finalidad de incrementar aun más la velocidad del proceso de simulación, este método es implementado en un algoritmo de ensanchamiento temporal. Por lo tanto, los algoritmos que esta tesis propone, puede relacionarse con canales con un gran numero de taps que son difíciles de estimar usando los algoritmos existentes. Gracias a esta aproximación, una baja complejidad para la implementación en tiempo real y un buen rendimiento en términos de BER contra relación señal a ruido (SNR) es obtenido. Las simulaciones muestran que estos sistemas sincronizados contribuyan a mitigar los efectos del corrimiento temporal. En la segunda parte de la tesis, el receptor MMSE para sistemas IR-TH-UWB usando un simulador de sistema de alta velocidad, es simulado. La implementación de cualquier detector multi-usuario fue también una tarea difícil (como lo fue para la sincronización) ya que una señal transmitida es ‘rechazada’ en los TDR y no existe una estructura multi-usuario típica con matriz de correlación. Por lo tanto, aplicando este método en esta tesis, es lograda una nueva aproximación de una detección multiusuario. Ya que la forma de onda es almacenada en los TDR, no es necesario operar con las muestras de señal en cada simulación. Por lo tanto, la matriz de correlación tiene que ser recalculada solamente cuando las condiciones del canal cambian. Dependiendo del tiempo de coherencia del canal y de la tasa binaria, es posible encontrar el número de bits que pueden ser simulados sin alterar la matriz de correlación. La única influencia de la razón de muestreo es en la longitud de los TDR. Los resultados derivados demuestran que este efecto es despreciable. Por consiguiente, puede ser considerado que la velocidad de simulación es aproximadamente independiente de la razón de muestreo. Ventajas adicionales de esta aproximación es que la complejidad del algoritmo es lineal con el número de usuarios, las tramas, las componentes multitrayecto y las ramas del receptor RAKE. Además, con esta aproximación, es posible reducir el proceso de simulación significativamente, evitando cualquiera operación de convolución que representa el mayor consumo de tiempo. Basados en esta aproximación, un número de operaciones de simulación necesarias para evaluar la matriz de recepción MMSE son reducidas. Por lo tanto, es posible procesar un gran número de muestras y estimar exactamente bajos valores de BER en un corto tiempo. Además, se deriva una fórmula teórica del rendimiento del detector MMSE para PPM IR-TH-UWB basados en esta nueva aproximación. Esta fórmula es validada a partir de la comparación de los resultados con otros obtenidos en investigaciones previas. Ambas tareas, sincronización y la nueva aproximación de detección multiusuario propuestas en esta tesis, aportan una buena realización en términos de baja complejidad, procesamiento rápido y un adecuado comportamiento de la BER en función de la relación señal a ruido (SNR). Todos los resultados son evaluados usando el algoritmo propuesto y las simulaciones son facilitadas para validar esta implementación. Estas demuestran que el tiempo de simulación crece linealmente con el número de usuarios y el número de tramas. El principal logro de esta tesis es un algoritmo para el cálculo de un sistema completo PPM IR-TH-UWB cuya complejidad es Nh veces inferior comparado con resultados previos, donde Nh es un número de chips en aquellos sistemas. Por lo tanto, asumiendo un factor de esparcimiento grande de las señales de UWB, este algoritmo consigue salvar un elevado tiempo de cómputo comparado con los diseños previos. Esta tesis está constituida por seis capítulos. En el primer capítulo se ofrece una panorámica de los fundamentos de los sistemas de UWB y dentro de este, algunos tópicos incluyen: historia de UWB, características y aplicaciones de estos sistemas. En el segundo capítulo se incluye el diseño de un sistema de acceso múltiple UWB, incluyendo el diseño de un transmisor es revisado. Este capítulo presenta el modelo completo del sistema y el convenio de notaciones empleadas a lo largo de la tesis. También en el segundo capítulo se incluyen dos modelos estadísticos para canales de UWB son presentados, basados en datos reunidos a partir de medidas extensivas de la propagación UWB. Saleh-Valenzuela y basado en Saleh-Valenzuela, modelo propuesto por Intel que será empleado con estos propósitos en la tesis, será descrito. En adición, se proporciona una descripción de una estructura receptora de simple usuario y multiusuario, asumiendo una sincronización y una estimación de la canal perfecta que constituyen la contribución de esta tesis. El capítulo cuatro cubre las siguientes tareas: Diferencias entre UWB y sistemas tradicionales de banda estrecha y dificultades en el desarrollo del modelo. Una breve revisión de los fundamentos de las metodologías de simulación. Un nuevo simulador del sistema IR-TH-UWB que constituye un aporte de nuestro grupo de investigación y que será utilizado en interés de esta tesis. El capítulo cinco presenta la segunda parte de la contribución de esta tesis donde he implementado un receptor RAKE MMSE para sistemas de UWB usando un nuevo simulador de sistema de salto en tiempo, logrando una novedosa aproximación de detector multiusuario (MUD). Adicionalmente, es presentada una nueva fórmula teórica del rendimiento del detector MMSE para PPM IR-TH-UWB basado en esta nueva aproximación y en investigaciones previas es presentado. El capítulo seis presenta resultados de las simulaciones para verificar este acercamiento.

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Item ID: 1060
DC Identifier: https://oa.upm.es/1060/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:1060
DOI: 10.20868/UPM.thesis.1060
Deposited by: Archivo Digital UPM
Deposited on: 26 Jun 2008
Last Modified: 10 Oct 2022 12:24
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