Reliable Cognitive Ultra Wideband Communication Systems Under Coexistence Constraints

La croissance rapide des systèmes de communication sans fil et la rareté du spectre ont motivé les industries et les fournisseurs ouvrant dans le domaine de communication sans fil de développer des stratégies et des technologies de communication qui peuvent utiliser efficacement les ressources spectrales. La réutilisation pacifique du spectre sous-licence et sous-utilisé peut être une solution prometteuse pour certaines initiatives en cours telles que la communication mobile à haut débit, la communication machine-à-machine, et la connectivité WiFi. Un des plus gros facteurs qui empêche l'approche de cette réutilisation de fréquences est l'effet d'environnements bruyants sur les dispositifs coexistent dans la même bande de fréquence. Par conséquent, la demande pour une stratégie de coexistence pacifique entre les utilisateurs du spectre, des défis et des questions techniques qu'elle engêndre, motive notre recherche. Il est à noter que dans cette thèse, nous considérons un système pratique appelé MB-OFDM UWB (en anglais multiband orthogonal frequency division multiplexing ultra wideband) pour donner un aperçu pratique de ce concept. Pour atteindre cet objectif, d'abord nous examinons le problème d'interférence des utilisateurs secondaires sur les utilisateurs principaux. A cet effet, tenant compte d'un système secondaire OFDM, nous proposons des méthodes de mise en forme du spectre pour les applications de transmission à antennes simples et multiples. Nous présentons une technique débit-efficace nommée “Enhanced active interference cancellation (E - AIC)qui est en effet capable de créer des encoches ayant des caractéristiques flexibles. Afin de résoudre le problème de dépassement du spectre causé pas la technique classique-AIC, nous utilisons une approche multi-contraintes qui à son tour cause un problème multi-contrainte de minimisation (en anglais multi-constraint minimization problem, MCMP). Cependant, un nouvel algorithme itératif basé sur la technique SVD (en anglais singular value decomposition) est proposé, permettant ainsi de réduire la complexité de la solution de MCMP. Les résultats de simulation obtenus montrent que la technique E-AIC proposée fournit de meilleures performances en termes de suppression des lobes latéraux avec 0 dB de dépassement, moins de complexité de calcul et moins de perte de débit par rapport aux méthodes AIC précédentes. Quant aux antennes multiples, nous proposons deux nouvelles techniques AIC, qui utilisent l'idée principale des approches de sélection d'antennes d'émission (en anglais transmit antenna selection, TAS). Bien que les résultats montrent que les deux techniques permettent la création d'encoche identique, la technique per-tone TAS-AIC a la plus grande efficacité spectrale. Après avoir obtenu une emission sans interférence pour le système MB-OFDM UWB, nous analysons, modélisons et atténuons le bruit impulsif au récepteur MB-OFDM UWB. Pour ce faire, d'abord, nous proposons un cadre analytique qui décrit les principales caractéristiques d'interférence d'un système à ultra large bande et saut temporel (en anglais time-hopping UWB, TH-UWB) niveau de ces paramètres de signalisation. Les résultats montrent que la distribution d'interférence dépend fortement aux paramètres de saut temporel du système TH-UWB.

Abstract

The rapid growth of wireless communication systems along with the radio spectrum's scarcity and regulatory considerations have put the onus on the wireless industries and service providers to develop wireless communication strategies and technologies that can efficiently utilize the spectral resources. Hence, peaceful reuse of underutilized licensed radio frequencies (by secondary users) can be a promising solution for some ongoing initiatives such as mobile broadband, machine-to-machine applications and WiFi connectivity. One of the biggest factors that prevents the spectrum reusing approach to effectively address the spectrum scarcity, is noisy environments result from coexistence of different devices in the same frequency band. Therefore, the request for a peaceful coexistence strategy between spectrum users, which leads to various challenges, and technical issues, motivates our research. It is worth noting that, in this thesis, we consider a practical system called multiband orthogonal frequency division multiplexing ultra wideband (MB-OFDM UWB) as an underlay system to provide a practical insight into this concept. However, all the obtained results and contributions are applicable to other OFDM-based communication systems. Towards this goal, we first investigate the problem of the interference from secondary users to the primary users. For this purpose, considering an OFDM-based secondary communication system, we propose spectrum-shaping methods for single and multiple transmit antennas applications. For single antenna scenario, we present a throughput-efficient enhanced active interference cancellation (E-AIC) technique, which is indeed capable of creating notches with flexible characteristics. In order to address the spectrum overshoot problem of conventional-AIC techniques, we employed a multi-constraint approach, which leads to a multi-constraint minimization problem (MCMP). Hence, a novel iterative singular value decomposition (SVD) based algorithm is proposed to reduce the complexity of the MCMP's solution. The obtained simulation results show that the proposed enhanced-AIC technique provides higher performance in terms of sidelobes suppression with 0 dB overshoot, less computational complexity and less throughput-loss compared to previous constrained-AIC methods. For multiple transmit antennas, we propose two novel AIC techniques employing main ideas behind bulk and per-tone transmit antenna selection (TAS) approaches. Simulation results show that although both techniques provide identical notch creation, the per-tone TAS-AIC technique has higher spectral efficiency.