EVALUATION OF COMPRESSED SENSING IN SYSTEMS UWB WITH NBI. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

ينظرإلى أنظمة الاتصالات اللاسلكية فائقة عرض النطاق (UWB) لتكون الجيل المستقبلي لنظام نقل البيانات، حيث أنها تتميز بقدرتها على إرسال البيانات لا سلكيا بسرعة هائلة. وتطبيقاتها تتمثل في أجهزة الاستشعار اللاسلكية وشبكات الاتصالات المتعددة. بسبب كبر النطاق الترددي, تظهر هناك مشكلتان وهما: محول الاشارات التناظريه الى الاشارات الرقميه (ADC) ذو السرعه العاليه والمطلوب في جهة المستقبل و تواجد اشارات الفائقة عرض النطاق مع الأنظمة الضيقه الأخرى التي تعمل وتشترك بنفس المجال الترددي. كلا المشكلتان نستطيع ان نقلل تأثيرهما باستخدام تقنية الاستشعار عن الضغط (CS). مصادر التداخل الضيقة ممكن ان تكون اما مرخصه (ذات تردد ثابت) اوغير مرخصه (باي تردد) بمركز ترددي مختلف ونطاق ترددي ايضا مختلف. في هذه الأطروحه, تم فحص طريقتين في الانظمه المدربه والانظمه العمياء (غير مدربه) لتخفيف التداخل المسبب من النظام ذو النطاق الترددي الضيق على النظام الفائق العرض الترددي باستخدام تطبيق استشعار الضغط وايضاً لتخفيض سرعة محول الاشارات (ADC). في الانظمه المدربه, نحتاج لثلاث مجموعات تجريبيه لتدريب النظام. بداية يقوم النظام فائق العرض بالتدريب لتخمين مصدر التداخل الضيق بدون ان يقوم بارسال اي معلومات, ثم يتم تخمين فضاء اشارة النطاق الفائق العرض, وفي النهاية يتم استخلاص معلومات عن قناة الاتصال. هذا البحث يقوم بتحسين اداء النظام الفائق العرض بخوارزميات تكنولوجيا استشعار الضغط بحيث نحد ونخفف من تأثير التداخل الناشىء عن النظام ذو النطاق الضيق. وتشمل عملية التحسين توزيع فعال للرموز على مجموعات الرموز المستخدمه للتدريب للحصول على افضل اداء. بداية سوف نقوم بمحاكاة النظام لمده طويله من اجل معرفة افضل توزيع لمجموعات الرموز المستخدمه لتحسين أداء النظام بناءا على دراسة معدل نسبة الخطأ (BER) بناءا على هذا التحقيق, سيتم رسم فهم افضل عن تأثير خواص مصدر التداخل على النظام الفائق العرض بتكنولوجيا استشعار الضغط. وعلاوة على ذلك, سيتم ايضا تقييم أثر عدد ونوع مصادر التداخل ذات النطاق الضيق الممكن تواجدها. سنحاول ايضا دارسة اداء النظام في حالة تواجد مجموعه من المستخدمين للنطاق فائق العرض. يظهر البحث ان عدد الرموز المستخدمه في المجموعه الثالثه يتناسب طرديا مع أداء النظام, لذلك عند الحصول على العدد الكافي من الرموز في المجموعتين الاولى والثانيه فان الرموز الاخرى الاضافيه يجب تخصيصها لاستخلاص معلومات اكثر عن قناة الاتصال. في الأنظمه العمياء (غير المدربه) تم بحث المشكله في التطبيقات التي ترسل بياناتها بشكل متقطع كشبكات الاستشعار اللاسلكية. المستقبل في هذه الانظمه يقوم بفك التضمين اولا يخمن وقت وصول المعلومات المتقطعه ثم يقوم بتقدير البيانات المرسله باستخدام برمجة الدرجة الثانية (QP). في هذه الانظمه يتم استخدام مستقبل ذو اشارات معينه مع مرشح الشق (notch)الرقمي. هذه الاشارات المستخدمه يتم تصميمها بحيث تكون ذات انحدار عالي في المجال الترددي من خلال ضربها بنافذه معينه. تصميم الاشارات بهذا الشكل يضمن لنا ان مصدر التداخل سوف بإتلاف عدد قليل من القياسات فقط. في هذا الجزء, سندرس أداء النظام الفائق العرض تحت تأثير مصادر تداخل مختلفه سواءً كانت مرخصه او غير مرخصه, كذلك سنقوم بتطوير ومد تقنية تخفيف التداخل لتكون قادره على الحد من تأثير مصدري تداخل في آن واحد. هذا العمل, يناقش سلوك النظام الفائق العرض تحت تأثير مصادر تداخل ضيقه ذات مدى ترددي مختلف. كذلك كيفية تأثر النظام عندما نقول باستخدام مجال ترددي مختلف لارسال البيانات الفائقة العرض. علاوة على ذلك, الأطروحه تقيَم تأثير عوامل أخرى على أداء النظام مثل حجم البيانات المتقطعه, وشكل النبضه المستخدمه و معدل ارسال الرموز. في حالة وجود مصدر تداخل واحد, بناءً على النتائج فقد تحصلنا على تحسن بسيط باستخدام عند ألغاء تأثير مصدر التداخل مقارنةً مع اهماله. بينما عند وجود مصدري تداخل فان الفرق كبير وواضح. النتائج للسيناريوهات التي بحثها تبين ان معدل نسبة الخطأ (BER) يتأثر بشكل كبير بالمجال الترددي لمصدر التداخل المؤثر, بينما يكون التأثير قليل جدا عند استخدام نبضات مختلفه لتشكيل البينات المرسله للنطاق الفائق العرض. النتائج ايضاً تشير الى انه كلما زاد المجال الترددي للاشارة فائقة العرض او مجال النبضه فان عدد القياسات التي يتم حذفها بسبب وجود مصدر التداخل يقل, وفي هذه الحاله نحتفظ بمعظم البيانات المهمه التي تشكل النبضه المرسله.

English Abstract

Ultra-wideband (UWB) radios are expected to be the next generation of transmission system that can support high data rate and power-constrained applications such as wireless sensor and body area networks. Because of their large bandwidth, two problems arise, namely the high speed analog-to-digital-conversion (ADC) required at the receiver side and the coexistence with other narrowband systems that share the same part of the spectrum. The two problems can be reduced using compressive sensing (CS). Narrowband interference (NBI) sources can be licensed or unlicensed signals with different center frequencies and different bandwidths. In this thesis, both trained and blind systems have been examined in mitigating the effect of the NBI in UWB system using CS as well as reduce the speeds of the ADC. In trained systems, three training pilot groups are required. The system is first trained to estimate the NBI with no UWB transmission, then the UWB signal space is estimated and finally the channel impulse response is extracted. This research optimizes UWB systems with CS to mitigate the effect of NBI through efficient assignments of pilot symbols among the required training. Extensive simulation is conducted to investigate the optimum distribution of the pilot symbols that enhances the system's bit-error-rate (BER) performance. Based on this investigation, a better understanding of the effect of the NBI's characteristics on UWB systems with CS is drawn. Furthermore, the impact of the number and the type of the NBI sources is also evaluated. The impact of multiple users on the system behavior is considered. It is shown that the number of pilot symbols in the third group is directly proportional to the performance; hence once the minimum number of pilot symbols for first two groups is met, the extra symbols should be assigned to get information about the channel. In blind UWB systems, we investigate the problem in bursty application such as wireless sensor network. The receiver does a joint decoding of the time of arrival and the data bits using quadratic programing (QP). A correlator receiver combined with digital notch filter is applied. The basis functions in the correlators are designed to be highly frequency selective through windowing technique. Hence only few measurements are corrupted by the interferer. In this part, we study the performance of different licensed and unlicensed NBIs and we extend the mitigation technique to suppress the effect of multiple NBIs. The work discusses the system behavior under different NBI's and UWB signal bandwidths. Furthermore, the thesis evaluates the effect of the burst size, the type of the modulated window and the baud rate on the performance. For a partial band jammer, slight enhancement is achieved when doubling the bandwidth. In the dual-band jammer case, the enhancement due to the mitigation against the jammers is evident. For the considered scenarios, we demonstrate that the BER is a strong function of the NBI's bandwidth while it is a weak function of the pulse shape. As the UWB signal's bandwidth increases, the number of the notched measurements lessens and we preserve the important information about the transmitted pulse.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Muqaibel, Ali H.
Committee Members:	Al-Ghadhban, Samir and Mesbah, Wessam
Depositing User:	ALAWSH SAL AHMED (g200805760)
Date Deposited:	17 Jun 2013 06:41
Last Modified:	01 Nov 2019 15:38
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138910