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Location-aware and Cooperative Communication in an OFDM based Ultra-wideband Radio System

Xu, Dong

Die auf dem orthogonalen Frequenzmultiplex (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) basierende Ultra-Breitband-(UWB, Ultra-wideband) Technologie stellt eine verheißungsvolle Technologie dar, um hohe Datenübertragungsraten und Lokalisierungs- und deren Tracking-Anwendungen zu realisieren. Im Gegensatz zu anderen Systemen ist die Reichweite von OFDM UWB Systemen durch eine strenge Regulierung sehr stark begrenzt. Darüber hinaus ist die Lokalisierung nicht zufriedenstellend. Damit sind bereits die beiden größten Nachteile im Bezug auf bestehende OFDM UWB System benannt. Die Motivation und Hauptaufgabe dieser Arbeit ist damit die Lösung der eben genannten Nachteile. Es wird ein OFDM UWB System vorgestellt, das Space Frequency Block Coding (SFBC) und FFH OFDM miteinander verbindet. Dieses vereinte System wertet die räumliche und frequentielle Diversität eines OFDM-Symbols aus und zeigt dabei eine hohe Güte in der Punkt-zu-Punkt Kommunikation. Beim Design von kooperativen UWB-Systemen wird ein AF-(Amplify-and-Forward) basiertes echtzeitfähriges SFBC-TFC (Time Frequency Code) Protokoll vorgestellt. In Kombination mit den oben genannten Strategien, kann eine Erhöhung in den Reichweite von OFDM UWB Systemen erreicht werden. In den Ausführungen zur Ortung anhand von OFDM UWB Signalen wird ein Algorithmus entwickelt, der aufgrund einer Kanalschätzung eine Minimierung des Phasenversatzes zwischen geschätztem und realem Kanal im Frequenzbereich durchführt. Diese Minimierung erwirkt eine Unterdrückung der Energie am Ende der Kanalimpulsantwort (CIR, Channel Impulse Response) im Zeitbereich. Zum Zweck der einfachen Implementierbarkeit wird das RTT (Round-Trip-Time) Messprotokoll in WiMedia UWB Systemen dahingehend verändert, dass das mobile Gerät keine Minimierung vornimmt. Es leitet seine Informationen an das mit ihm Kommunizierende, stationäre Gerät weiter, das direkt den gesamten Zeitversatz innerhalb des RTT berechnet. Der vorgeschlagene Algorithmus und das vorgeschlagene Protokoll haben ein besseres Ortungsvermögen als bekannte UWB Lokalisierungsprozeduren und bedürfen nur etwas zusätzlicher Berechnungsleistung. Diese Arbeit zeigt, dass Systeme mit hohen Datenraten wie OFDM UWB auch eine gute Lokalisierungsgenauigkeit erreichen können. Zusätzlich ist die Schwachstelle einer limitierten Reichweite ebenso kompensiert worden. Diese Erweiterungen dienen der Entwicklung von nützlichen UWB-Applikationen und sichern den Anteil der OFDM UWB Technik im Markt der drahtlosen Kommunikationssysteme der Zukunft.

The Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based Ultra-wideband (UWB) is one of the most promising technologies for high data rate transmission and localization and tracking applications. However, the restricted transmit power causes a shorter communication range compared to other indoor radio systems. In addition, the ranging functionality is still not well supported by the current OFDM based UWB technology. These two drawbacks are the main disadvantages existing in the current OFDM UWB systems. To get rid of the two drawbacks, is the motivation and main task of this thesis. Within the scope of this thesis, a joint design of Space Frequency Block Coding (SFBC) with Fast Frequency Hopping (FFH) OFDM scheme is investigated in a multiple antenna OFDM UWB system. The joint scheme is able to exploit spatial and frequency domain diversity within one OFDM symbol, and can improve the data transmission quality in point-to-point communication. To the cooperative communication in UWB systems, an Amplify-and-Forward (AF) based distributed SFBC-TFC (Time Frequency Code) protocol is designed. In combination with the aforementioned strategies an increase in the communication range is achieved. Within the scope of this thesis, accurate ranging schemes for the OFDM UWB systems are designed. Fine ToA detection method based on the estimated channel is developed. The fine ToA is estimated by minimizing the accumulated energy of the tail taps of the estimated Channel Impulse Response (CIR). For the purpose of a feasible implementation, the Round-Trip-Time (RTT) measurement protocol in [WiM09] is modified in a way that the complicated computational tasks are burden onto the powerful device. The proposed fine ToA detection method and modified RTT protocol provides an accurate ranging capability and ensures feasible implementation to the MB-OFDM UWB systems. In carrying out this scheme, only some computational tasks are needed, no extra hardware support is required. It is shown in this thesis, OFDM UWB systems with very high data rate transmission and good ranging capability could be achieved, and the weakness of limited communication range is also compensated. These improvements will cause the rise of more valuable UWB applications for customers and ensures a bright future for the OFDM UWB technique.

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Xu, Dong: Location-aware and Cooperative Communication in an OFDM based Ultra-wideband Radio System. 2012.

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