Σχεδιασμός Πομποδεκτών για Ασύρματα Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα Υπερ-ευρείας Ζώνης

Abstract

Τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα τεχνολογίας μετάδοσης παλμών υπέρ-ευρείας ζώνης (Ultra-Wideband – UWB) αποτελούν μια υποσχόμενη λύση στο πρόβλημα του περιορισμένου εύρους φάσματος για τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα (Wireless Personal Networks - WPAN), επιτρέποντας τη συνύπαρξη νέων υπηρεσιών με τα υπάρχοντα συστήματα δημιουργώντας ελάχιστη ή μηδαμινή παρεμβολή. Τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα UWB διαφέρουν από τα συμβατικά συστήματα, καθώς χρησιμοποιούνται παλμοί εξαιρετικά μικρής χρονικής διάρκειας για την επικοινωνία πομπού και δέκτη. Τα φυσικά χαρακτηριστικά των παλμών αυτών και το μεγάλο εύρος ζώνης που δημιουργείται, έχουν ως αποτέλεσμα τη δραματική επίδραση των συνιστωσών πολλαπλών οδεύσεων (Multipath Components – MPCs) στην επίδοση των συστημάτων UWB σε αντίθεση με τα συστήματα στενής ζώνης. Κάθε όδευση αποτελεί ένα αντίγραφο του εκπεμπόμενου σήματος με διαφορετική απόκριση καναλιού, αυξάνοντας έτσι την τάξη διαφορισμού του συστήματος. Με την εφαρμογή κατάλληλων δεκτών (π.χ. κτενοειδείς δέκτες – Rake) οι διαφορετικές οδεύσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση των επιδόσεων. Ωστόσο, το πλήθος των οδεύσεων που επεξεργάζονται στο δέκτη αυξάνει την πολυπλοκότητα του συστήματος, η οποία είναι δυνατό να μην αντισταθμίζεται από την αντίστοιχη βελτίωση της επίδοσης. Στην παρούσα διατριβή μελετώνται οι δέκτες RAKE ως προς την εξισορρόπηση (trade-off) μεταξύ πολυπλοκότητας και επίδοσης. Προτείνονται δύο προσαρμοστικοί δέκτες Rake, οι οποίοι συνδυάζουν ένα υποσύνολο των διαχωριζόμενων σημάτων λαμβάνοντας υπόψη την ποιότητα του συνολικού λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR) και το SNR του κάθε ενός σήματος ξεχωριστά. Με αυτή τη μέθοδο μειώνεται το πλήθος των συνδυαζόμενων σημάτων, ενώ διατηρείται η απαιτούμενη επίδοση σφάλματος. Οι προτεινόμενοι δέκτες προσφέρουν καλύτερη προσαρμοστικότητα στις συνθήκες του καναλιού μετάδοσης σε σύγκριση με άλλες προηγούμενες προτάσεις, χωρίς ωστόσο να αυξάνουν την πολυπλοκότητα λειτουργίας. Η επίδοσή τους μελετάται σε κανάλια υπέρ-ευρείας ζώνης (UWB). Προς την ίδια κατεύθυνση μελετώνται δέκτες διακοπτικού διαφορισμού (switched diversity receivers) με στόχο τη μείωση των αναγκαίων μεταγωγών μεταξύ των κλάδων λήψης, καθώς οι συχνές εναλλαγές υποβαθμίζουν τη συνολική επίδοση. Σαν λύση προτείνεται μια εναλλακτική και απλούστερη υλοποίηση των διακοπτικών δεκτών γενικευμένης μεταγωγής και παραμονής (generalized switch and stay combining), η οποία απαιτεί μόνο ένα διακοπτικό μηχανισμό. Παράλληλα τα βέλτιστα κατώφλια λειτουργίας προσεγγίζονται από κλειστές μαθηματικές εκφράσεις, απλοποιώντας με αυτόν τον τρόπο τη λειτουργία των δεκτών. Τέλος, προς την κατεύθυνση της υλοποίησης δομών πομποδεκτών με χαμηλή πολυπλοκότητα στη λήψη του σήματος στα UWB συστήματα, μελετώνται οι δέκτες με εκπομπή σήματος αναφοράς (Transmitted Reference - TR) οι οποίοι δεν απαιτούν εκτίμηση του σήματος κατά τη λήψη. Όμως οι πομποδέκτες TR, λόγω της μετάδοσης πρόσθετων παλμών αναφοράς, εμφανίζουν απώλεια απόδοσης 3dB και 50% απώλεια στο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. Εναλλακτικά, οι διαφορικοί πομποδέκτες TR (differential TR - DTR), όπου ο προηγούμενος παλμός δεδομένων που εκπέμπεται χρησιμοποιείται ως παλμός αναφοράς, προσφέρει συγκρίσιμη ή καλύτερη απόδοση με αυτή του TR, καθώς και υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής προτείνεται μια απλούστερη στην υλοποίηση και αποδοτικότερη ως προς την χρησιμοποιούμενη ενέργεια δομή πομποδεκτών, το σύστημα αυτο-αναφοράς (Self Reference -SR), το οποίο χρησιμοποιεί ως παλμό αναφοράς ένα επεξεργασμένο αντίγραφο του ιδίου λαμβανόμενου σήματος. Στο προτεινόμενο σύστημα δεν υπάρχει ανάγκη για υλοποίηση γραμμής καθυστέρησης στο δέκτη, ενώ δεν απαιτείται εκτίμηση των παραμέτρων του καναλιού με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται χαμηλότερη πολυπλοκότητα υλοποίησης, μειωμένους υπολογιστικούς πόρους και κατανάλωση ενέργειας. Η προτεινόμενη δομή μελετάται σε κανάλια υψηλής συχνότητας (high-frequency channels - HF) αποδεικνύοντας ότι προσφέρει καλύτερη ή συγκρίσιμη απόδοση σε σχέση με αυτή του DTR ανάλογα με τις συνθήκες του καναλιού.

The Ultra-Wideband telecommunication systems are a promising solution for wireless personal area networks (WPAN) allowing the coexistence of new services and existing systems with minimum or no interference. These systems differ fundamentally from the conventional telecommunication systems since extremely narrow pulses are used for the communication between receivers and transmitters. The physical characteristics of these pulses and the wide band produced result in the dramatic effect of the multipath components (MPCs) on the performance of UWB systems in contrast to the conventional narrowband ones. Every MPC is a separate copy of the transmitted signal with a different channel response. Applying appropriate receivers (e.g. Rake receivers) the diversity order can be increased, as well as the error performance of UWB systems. However, the number of utilized MPCs processed at the receiver may increase the system's complexity, which is not always compensated by the corresponding increase in error performance. In this thesis, several Rake receivers are studied in terms of the trade-off between hardware complexity and error performance. To this end, we introduce two adaptive Rake receivers, which combine a subset of the resolvable paths considering simultaneously the quality of both the total combining output signal-to-noise ratio (SNR) and the individual SNR of each path, reducing the number of combined paths, while keeping the desirable performance. These schemes achieve better adaptation to channel conditions compared to other known receivers, without further increasing the complexity. Their performance is evaluated in different practical UWB channels, whose models are based on extensive propagation measurements. The proposed receivers compromise between the power consumption, complexity and performance gain for the additional paths, resulting in important savings in power and computational resources. Moreover, an alternative simpler implementation of generalized switch and stay combining (GSSC) receiver is proposed, which utilizes only one switching circuit and includes the classic dual SSC as a special case. For the case of non identical branches, the optimum threshold is accurately approximated in closed-form, avoiding the use of complicated numerical methods. Finally, towards the concept of using structures of low complexity for signal reception in Ultra-Wideband (UWB) systems, Transmitted Reference (TR) schemes have gained researchers’ attention. However, TR sustains a 3dB performance loss and a 50% rate loss, because of the transmission of extra reference pulses. Alternatively, the Differential TR (DTR) scheme, where the previously transmitted data pulse is used as a reference one offers a better or comparable performance to that of TR and higher data rates. We introduce a less complex and energy-efficient scheme, called Self Reference (SR) UWB system, which uses as reference pulse an elaborated replica of the received signal resulting in double data rates compared to TR schemes. Moreover, SR eliminates the need for delay lines at the receiver side, which constitute a major drawback of the conventional TR and DTR schemes, while it also requires no channel estimations, resulting in lower complexity implementations, saving of computational resources and power savings. The performance of the SR scheme is investigated in high-frequency (HF) channels, showing that it offers a better or comparable performance to that of DTR, depending on the channel conditions.