Δείκτες - αποδιαμορφωτές βασικής ζώνης για ασύρματα συστήματα υπέρ-ευρείας ζώνης (ultra wideband - UWB))

Abstract

Ultra Wideband (UWB) technology has emerged lately as an attractive and very promis-ing solution for high data rate, secure wireless communication systems having low pow-er consumption, low complexity, low implementation cost, capabilities for position loca-tion and ability to share the frequency spectrum with minimal or no interference on other current radio systems. In its current form and definition UWB technology is clas-sified as a wireless communication system whose instantaneous bandwidth is many times greater than the minimum required to deliver particular information and some of its enormous potentials include the ability to move between the very high data rate, short link distance (Wireless Personal Area Networks – WPANs) and the very low data rate, low power consumption and longer link distance applications with useful features such as location and positioning (Wireless Sensor Networks – WSNs). Besides the unique features and advantages as well as the vast range of applications of IR-UWB (IR – Impulse Response) technology, the implementation of practical wireless data communications systems is very challenging due to the use of low-power nanosec-ond-duration pulses which have to be sent in a rather high-frequency in order to achieve the desirable data rates. One of the main challenges stems from the wireless UWB channel, which is a highly frequency selective channel due to the use of a very wide signal bandwidth. Most of the numerous measurement campaigns reported in the literature have found that the UWB channel is characterized by dense and rich multi-path propagation and large multipath delay spread in some cases. This leads to received signals that consist of a significant number of resolvable multipath components with different delays, different angles of arrival and different amplitudes. In order to exploit multipath diversity and effectively capture the desired signal energy which is dispersed over the various multipath components a RAKE receiver can be employed, helping to mitigate fading and, thus, improving the overall performance of the receiver. RAKE-type receivers show adequate performance results in such environments. However, the par-ticular nature of UWB results in very low energy paths which, in conjunction with high multipath diversity, leads to a RAKE structure that has to exploit a large number of multipath components in order to optimize the received SNR. Based on that facts, in order to implement a low complexity system it is important to define a novel method for the selection and combining of multipath components that include most of the transmit-ted signal energy and develop an algorithm that is able to utilize a minimum number of fingers in the RAKE receiver in order to achieve an effective and efficient detection of the transmitted signal. Our work was focused in the study of the transmission and reception theory for wireless wideband systems and digital communication systems, the study of UWB technology and the investigation of the parameters and unique features of IR-UWB systems in order to make critical choices for the implementation of a practical and flexible UWB commu-nication system, the study and understanding of the channel models proposed for this technology, which is necessary for the design of efficient digital signal processing algo-rithms in the receiver, the investigation of RAKE type receivers as well as other alterna-tive structures (coherent or non-coherent), the system-level simulations and modeling of the IR-UWB transceiver while giving emphasis to the algorithms for the RAKE demodu-lator and channel estimator, the investigation of the parameters and techniques for the implementation of the system in a FPGA and finally, the development, design and im-plementation of a receiver structure that includes a RAKE demodulator and a channel estimator in a format that combines low complexity and satisfactory performance. The ultimate goal of this work is the presentation and investigation of the proposed channel estimator and maximal ratio combining (MRC)-RAKE receiver architecture which is based on a proposed novel hybrid algorithm called HPS (Hybrid Partial/Selective). Three different design approaches aiming to the implementation of the system in an FPGA are presented, investigated and compared and system/algorithm performance, hardware utilization results are provided. The proposed architectures combines the benefits of both partial and selective RAKE receiver algorithms, which are two of the main algo-rithms proposed for a reduction in the complexity of the RAKE receiver for UWB sys-tems, and the obtained results demonstrate the trade-off between energy capture, per-formance and receiver complexity. The effectiveness of the proposed architectures is ver-ified on a special FPGA platform which was used for the implementation of the proposed receiver structure.

Η τεχνολογία Υπερ-ευρείας ζώνης (Ultra Wideband – UWB) ήρθε στο προσκήνιο στις αρχές τις δεκαετίας ως μια πολλά υποσχόμενη λύση για ασύρματα συστήματα με υψηλούς ρυθ-μούς δεδομένων, ασφαλούς επικοινωνίας, χαμηλή κατανάλωση, χαμηλής πολυπλοκότητας και με μικρό κόστος υλοποίησης, με ικανότητες για εντοπισμό θέσεως και εξαιρετικά χα-μηλές παρεμβολές σε άλλα ασύρματα συστήματα. Στην σύγχρονη μορφή της, η τεχνολογία αυτή αποτελεί μια κατηγορία συστημάτων ασύρματης μετάδοσης τα οποία χρησιμοποιούν ένα ασυνήθιστα μεγάλο εύρος συχνοτήτων για να επιτευχθούν οι στόχοι των εφαρμογών που υπηρετούν, οι οποίες περιλαμβάνουν από επικοινωνίες υψηλού ρυθμού δεδομένων μικρής εμβέλειας (ασύρματα προσωπικά δίκτυα (WPANs)) έως χαμηλού ρυθμού δεδομένων επικοι-νωνίας με δυνατότητες εντοπισμού θέσης (ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSNs)), συσκευές απεικόνισης και εφαρμογές radar. Παρά τα ελκυστικά χαρακτηριστικά, τις μοναδικές ιδιότητες και το πλήθος των εφαρμογών της τεχνολογίας του παλμικού UWB, η υλοποίηση πρακτικών ασύρματων συστημάτων επι-κοινωνίας δεδομένων παρουσιάζει ιδιαίτερες προκλήσεις κυρίως λόγω της χαμηλής ισχύος εκπομπής και της πολύ σύντομης διάρκειας των παλμών που χρησιμοποιούνται, οι οποίοι θα πρέπει να στέλνονται με πολύ μεγάλες ταχύτητες για την επίτευξη των επιθυμητών ρυθ-μών μετάδοσης δεδομένων. Μια από τις κύριες προκλήσεις, πηγάζει από το κανάλι ασύρ-ματης μετάδοσης το οποίο, για την συγκεκριμένη τεχνολογία, είναι ιδιαίτερα επιλεκτικό ως προς την συχνότητα λόγω της χρήσης σημάτων με πολύ μεγάλο εύρος ζώνης. Το πλήθος των μετρήσεων που έγιναν για τυπικά κανάλια σημάτων UWB και τα μοντέλα που προέκυ-ψαν από αυτές, σε πάρα πολλές μελέτες φανερώνουν πως τέτοιου είδους κανάλια είναι ι-διαίτερα πυκνά και πλούσια σε πολυοδικές συνιστώσες κάποιες από τις οποίες φτάνουν στο δέκτη με αρκετά μεγάλες καθυστερήσεις σε ορισμένες περιπτώσεις. Επομένως, τα σήματα που λαμβάνονται αποτελούνται από ένα μεγάλο αριθμό διακριτών πολυοδικών συνιστωσών που φτάνουν από διαφορετικές κατευθύνσεις, με διαφορετικές καθυστερήσεις και διαφορε-τικά πλάτη. Αυτές οι συνιστώσες μπορούν να ανιχνευθούν και να συλλεχθούν με κατάλλη-λες δομές δεκτών τύπου RAKE, οι οποίοι μπορούν να τις συνθέσουν αποτελεσματικά ώστε να μεγιστοποιηθεί το ποσό της ενέργειας του ωφέλιμου σήματος αυξάνοντας το τελικό SNR στον δέκτη και συνεπώς την απόδοση του συστήματος. Οι δέκτες τύπου RAKE παρουσιά-ζουν την καλύτερη απόδοση για τέτοιου είδους συστήματα αλλά και μεγάλη υπολογιστική πολυπλοκότητα καθώς θα πρέπει να συλλέξουν την ενέργεια από ένα αρκετά μεγάλο αριθ-μό συνιστωσών. Αυτό προκύπτει διότι, με δεδομένη την χαμηλή ισχύ εκπομπής που επι-τρέπεται για την τεχνολογία UWB, η οποία κατανέμεται στο πολύ μεγάλο εύρος ζώνης και σε ένα πολύ μεγάλο αριθμό πολυοδικών συνιστωσών, η ισχύς που λαμβάνεται ανά συνιστώ-σα είναι αρκετά χαμηλή. Συνεπώς, θεωρητικά, ο δέκτης RAKE θα πρέπει να έχει την δυνα-τότητα να συνδυάσει ένα μεγάλο αριθμό συνιστωσών για ικανοποιητική απόδοση του συ-στήματος. Βάσει αυτών, για την υλοποίηση ενός συστήματος χαμηλής πολυπλοκότητας, σημαντικά ζητήματα αποτελούν ο τρόπος επιλογής και συνδυασμού των πολυοδικών συνι-στωσών που λαμβάνονται στον δέκτη RAKE, μέσω της σχεδίασης ενός αλγορίθμου επεξερ-γασίας του σήματος ο οποίος θα χρησιμοποιεί τον μικρότερο δυνατό αριθμό δακτύλων, κα-θώς και η αποτελεσματική και αποδοτική ανίχνευση του σήματος με κύριο στόχο την πρακτική υλοποίηση του δέκτη. Οι στόχοι της διατριβής ήταν η μελέτη της θεωρίας μετάδοσης και λήψης στα ασύρματα συστήματα ευρείας ζώνης δίνοντας έμφαση στα συστήματα UWB, η μελέτη της τεχνολογίας UWB και η διερεύνηση των παραμέτρων και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των παλμικών UWB συστημάτων έτσι ώστε να γίνουν οι κατάλληλες επιλογές για την υλοποίηση ενός πρα-κτικού και ευέλικτου συστήματος επικοινωνίας, η μελέτη και η κατανόηση των μοντέλων του καναλιού η οποία είναι απαραίτητη για τον σχεδιασμό αποδοτικών αλγορίθμων στο ψηφιακό τμήμα του δέκτη, η διερεύνηση των δεκτών τύπου RAKE αλλά και εναλλακτικών δομών, οι εξομοιώσεις και η μοντελοποίηση ενός πομποδέκτη παλμικού UWB σε επίπεδο συστήματος με κύρια έμφαση στην έρευνα για αλγορίθμους που αφορούν στον αποδιαμορ-φωτή RAKE και στον εκτιμητή καναλιού, η διερεύνηση παραμέτρων και τεχνικών για την υλοποίηση των αλγορίθμων και του συστήματος σε υλικό και τέλος η ανάπτυξη, ο σχεδια-σμός, και η υλοποίηση μιας πρακτικής δομής δέκτη με RAKE αποδιαμορφωτή και εκτιμη-τή καναλιού η οποία μπορεί να συνδυάζει χαμηλή πολυπλοκότητα και ικανοποιητική από-δοση. Ο τελικός σκοπός της εργασίας είναι η παρουσίαση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής που περιλαμβάνει ένα υποσύστημα εκτίμησης του καναλιού και ένα αποδιαμορφωτή τύπου RAKE ο οποίος συνδυάζει τις συνιστώσες του σήματος με την μέθοδο maximal ratio combining (MRC) και ο οποίος βασίζεται στον προτεινόμενο υβριδικό αλγόριθμο Partial/Selective (HPS). Παρουσιάζονται και συγκρίνονται τρεις διαφορετικές προτεινόμε-νες προσεγγίσεις σχεδίασης οι οποίες έχουν ως στόχο την υλοποίηση του συστήματος σε αναδιατασσόμενο υλικό (FPGA) και δίνονται αποτελέσματα που αφορούν στην αξιοποίηση του υλικού για κάθε μια προσέγγιση και στις συνολικές επιδόσεις του συστήματος και του αλγορίθμου. Οι προτεινόμενες αρχιτεκτονικές συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα τόσο του Partial όσο και του Selective αλγόριθμου επιλογής συνιστωσών, οι οποίοι είναι από τους κύριους αλγορίθμους που έχουν προταθεί για την μείωση της πολυπλοκότητας του δέκτη RAKE στα UWB συστήματα. Τα αποτελέσματα που παρατίθενται έχουν ως σκοπό να πα-ρουσιάσουν το trade-off ανάμεσα στην δυνατότητα συλλογής ενέργειας, την απόδοση του δέκτη και την πολυπλοκότητά του. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων αρχιτεκτονι-κών επαληθεύεται χρησιμοποιώντας ειδική πλατφόρμα FPGA πάνω στην οποία υλοποιήθη-κε ο προτεινόμενος δέκτης RAKE.