Master of Science / Department of Electrical and Computer Engineering / William Kuhn / From 2004 to 2008, Kansas State University's Electrical and Computer Engineering (ECE) department, along with the NASA Jet Propulsion Laboratory and Peregrine Semiconductor, researched design techniques for producing a low-power, 400 MHz micro-transceiver suitable for future use on Mars scout missions. In 2012, Dr. Kuhn's Digital Radio Hardware Design class, ECE765, adapted the K-State circuit designs from this research project to investigate the possibility of producing a 2.4 GHz micro-transceiver in Peregrine Semiconductor’s newer 0.25 [mu]m Silicon on Sapphire process. This report expands upon the work completed in the Digital Radio Hardware Design (ECE765) course. The schematics and layout of the subsections of the receiver portion of the micro-transceiver chip, consisting of a transmit/receive switch, low-noise amplifier, mixer, intermediate-frequency amplifiers, and an analog-to-digital converter are described. Circuits designed to date require a total of 15 mW to operate. This report is intended as a guide for future students who will take over this project, make modifications, adapt the transmit portion of the micro-transceiver from previous work, and finish layout before fabrication of a full 2.4 GHz prototype chip.

Οι ασύρµατες τοπολογίες εσωτερικού χώρου (Indoor propagation topologies) είναι πιο σύνθετες από τη φύση τους και απαιτούν µια πιο λεπτοµερή µαθηµατική περιγραφή, δεδοµένου ότι οι διαστάσεις των διαφόρων εµποδίων που παρεµβάλλονται µε το εκπεµπόµενο σήµα είναι συγκρίσιµες µε το µήκος κύµατος του σήµατος. Επιπλέον, οι µηχανισµοί διάδοσης (ανάκλαση-reflection, σκέδαση- scattering, περίθλαση-diffraction) έχουν ακόµα µεγαλύτερη επιρροή σε ένα εσωτερικό περιβάλλον όπου οι παράµετροι καναλιού είναι πολύ ευαίσθητοι και εξαρτώνται άµεσα µε τα ενδογενή χαρακτηριστικά της τοπολογίας. Ως αποτέλεσµα, στα µοντέλα εσωτερικού χώρου, πρέπει να λαµβάνονται υπόψη όλοι οι παράγοντες που συµβάλλουν στην παρεµπόδιση και εξασθένηση του σήµατος. Το µοντέλο εσωτερικών χώρων απώλειας διαδροµής της ITU (ITU indoor path loss model) κατατάσσει τους εσωτερικούς χώρους σε τρεις κύριες 7 κατηγορίες: Σπίτι, Γραφείο και Εµπορικές τοπολογίες. Η σπουδαιότητα που έχουν τα χαρακτηριστικά της τοπολογίας, όταν λαµβάνονται υπόψη στην επίδραση του ασύρµατου καναλιού, γίνεται εµφανής όταν εξετάζουµε τα Wi-Fi/WLAN συστήµατα. Τα τελευταία χρόνια, το ενδιαφέρον για µοντελοποίηση των απωλειών όδευσης έχει αυξηθεί σηµαντικά για τη συχνότητα 2,4 GHz, λόγω του γεγονότος ότι αυτή είναι η συχνότητα που λειτουργούν οι σύγχρονοι Wi-fi routers και άλλα ασύρµατα ηλεκτρονικά συστήµατα. Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι να παρουσιάσει µια µελέτη περίπτωσης µιας εµπορικής εσωτερική τοπολογία διάδοσης, τη ∆ηµόσια Βιβλιοθήκη του Πανεπιστηµίου Πατρών, καθώς και µιας ιδιωτικής οικίας και την επικύρωση της αξιοπιστίας των εσωτερικών µοντέλων RF. / Models for indoor propagation prediction at 2.4GHz frequency.

Ingeniero Civil Eléctrico / Los metamateriales han revolucionado la forma de diseñar antenas, principalmente por lograr propiedades difíciles de obtener por técnicas tradicionales. El presente trabajo muestra el diseño, fabricación y caracterización de tres antenas de microcinta operando en la banda de 2.4 GHz para explorar el efecto de estructuras de metamateriales, en busca de un mejor desempeño en términos de ancho de banda, eficiencia de radiación y ganancia. La metodología utilizada comprende el diseño por software de análisis electromagnético, manufactura con técnicas de impresión de circuitos utilizando FR4, un insumo de propósito general, y el despliegue de un montaje experimental para la medición de pérdidas por retorno (S11) y patrones de radiación. Se han realizado experimentos de caracterización del parámetro S11 entre 1 GHz y 10 GHz, y seis cortes del patrón de radiación por antena, para 3 puntos de frecuencia, en co-polarización y polarización cruzada en cada uno. Las tres antenas construidas han mostrado anchos de banda excepcionales, del 49 %, 107 % y 29 %, eficiencias superiores al 75 % y ganancias totales sobre 3 dB. Se ha comparado el desempeño de cada una, utilizando figuras de mérito tales como: tamaño del haz de media potencia, eficiencia, ancho de banda, nivel de polarización cruzada, tamaño eléctrico y ganancia máxima. Asimismo, los dispositivos presentados pueden ser utilizados en variadas aplicaciones de la banda de 2.4 GHz. En particular, enlaces de gran alcance, comunicación multibanda e integración en sistemas compactos.

The Internet of Things (IoT) has the vision to interconnect everything of the physical world and the virtual world. Advanced automated and adaptive connectivity of objects, systems, and services is expected to be achieved under the IoT context, especially in the industrial environment. Industry 4.0 with the goal of intelligent and self-adaptable manufacturing is driven by the IoT. The Object Layer, where real-time and reliable information acquisition from the physical objects carried out, is the basic enabler in the 3-layer industrial IoT system. Such acquisition system features deterministic access, reliable communication with failure resistance mechanism, latency-aware real-time response, deployable structure/protocol, and adaptive performance on various QoS demands. This thesis proposes a reliable RFID communication system for acquisition in the industrial environment. A discrete gateway structure and a contention-free communication protocol are designed to fulfill the unique system requirements. Such gateway structure offers a flexible configuration of readers and RF technologies. It enables a full duplex communication between the objects and the gateway. The designed MF-TDMA protocol can enhance the failure resistance and emergency report mechanism thanks to the separation of control link and data link in the gateway. Specifically, an optional ARQ mechanism, an independent/uniform synchronization and control method, and a slot allocation optimization algorithm are designed besides time-division and frequency-division multiplexing. Protocol implementations for different industrial situations illustrate the system ability for supporting the demands of various QoS. Finally, a 2.4-GHz/UWB hybrid positioning platform is explored based on the introduced RFID system. Taking advantage of the UWB technology, the positioning platform can achieve positioning accuracy from meter level to centimeter level. Hybrid tag prototype and specific communication process based on the MF-TDMA protocol are designed. An SDR UWB reader network, capable of evaluating multiple algorithms, is built to realize accurate positioning with an improved algorithm proposed. / <p>QC 20161109</p>

This diploma thesis deals with the study and measurement of coexistence scenarios that can occur between the LTE and LoRa systems in the unlicensed ISM band 2.4 GHz. A common radio frequency band in which LTE and LoRa systems can coexist is defined. An appropriate laboratory measurement is proposed and realized, allowing automatized measurement of the defined coexistence scenarios. For this purpose, a personal computer, professional measurement equipment and software MATLAB are utilized. Functionality of the proposed concept is verified by extensive measurements. The obtained results are graphically shown and discussed in detail.

In recent years, advancements in the field of wireless communication have led to more innovative consumer products at reduced cost. Over the next 2 to 5 years, short-range wireless devices such as Bluetooth and Wireless Local Area Networks (WLANs) are expected to become widespread throughout hospital environments for various applications. Consequently the medical community views wireless applications as ineludible and necessary. However, currently there exist regulations on the use of wireless devices in hospitals, and with the ever increasing wireless personal applications, there will be more unconscious wireless devices entering and operating in hospitals. It is feared that these wireless devices may cause electromagnetic interference that could alter the operation of medical equipment and negatively impact patient care. Additionally, unintentional electromagnetic radiation from medical equipment may have a detrimental effect on the quality of service (QoS) of these short-range wireless devices. Unfortunately, little is known about the impact of these short-range wireless devices on medical equipment and in turn the interference caused to these wireless devices by the hospital environment. The objective of this research was to design and develop an automated software reconfigurable measurement system (PRISM) to characterize the electromagnetic environment (EME) in hospitals. The portable measurement system has the flexibility to characterize a wide range of non-contiguous frequency bands and can be monitored from a remote location via the internet. In this work electromagnetic interference (EMI) measurements in the 2.4 GHz ISM band were performed in two hospitals. These measurements are considered to be very first effort to analyze the 2.4 GHz ISM band in hospitals. Though the recorded EMI levels were well within the immunity level recommended by the FDA, it can be expected that Bluetooth devices will undergo a throughput reduction in the presence of major interferers such as WLANs and microwave ovens. A Bluetooth throughput simulator using semi-analytic results was developed as part of this work. PRISM and the Bluetooth simulator were used to predict the throughput for six Bluetooth Asynchronous Connectionless (ACL) transmissions as a function of piconet size and interferer distance. / Master of Science

<p>Rapporten är en jämförande studie av täckningsgrad och bandbredd i trådlösa nätverk av typ hot-spot med IEEE 802.11A/G respektive IEEE 802.11N Draft 2.0. Studien är gjord i tre olika scenarion på Kvarnholmen i Kalmar under april och maj månad 2008.</p>

Στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες, χρησιμοποιείται μια μεγάλη γκάμα από RF μοντέλα, για τον υπολογισμό την μέσης τιμής ισχύος του σήματος εκπομπής για δεδομένη απόσταση από τον πομπό και για δεδομένη συχνότητα. Στις διεργασίες αυτές , επιδρούν στο δικό τους βαθμό διάφορες παράμετροι τοπολογικού (πληθυσμός , τύπος εμποδίων, πυκνότητα εμποδίων) και γεωγραφικού (μορφολογία εδάφους, υγρασία, διαμόρφωση χώρου) χαρακτήρα, αλλά και χαρακτηριστικά των πομποδεκτών ( συνήθως το ύψος και το κέρδος των κεραιών). Στις περισσότερες περιπτώσεις οι απώλειες όδευσης (Path Loss όπως είναι γνωστές στη διεθνή βιβλιογραφία) , εκφράζονται σε dB , σα συνάρτηση της συχνότητας λειτουργίας του υπό μελέτη συστήματος και της απόστασης ανάμεσα στον πομπό και το δέκτη ( πάντα για δεδομένα χαρακτηριστικά κεραιών και τύπο περιβάλλοντος). Έτσι μια ντετερμινιστική γνώση του μέσου path loss, που σε συνδυασμό με άλλες πιθανές απώλειες μας δίνει το σύνολο των απωλειών είναι εφικτή. O περιορισμός όσον αφορά στη συχνότητα και στις αποστάσεις , έχουν οδηγήσει τη σύγχρονη έρευνα στην επέκταση των υπαρχόντων μοντέλων , τόσο εξωτερικού όσο και εσωτερικού χώρου. Μια βασική παράμετρος της έρευνας στηρίζεται στην παραδοχή πως ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου , ο οποίος περιγράφεται από την εξίσωση του Friis δε βρίσκει εφαρμογή, παρά μόνο σε περιβάλλοντα όπου επιτυγχάνεται LOS( Line of Sight) όδευση. Η τροποποίηση της παραπάνω εξίσωσης με δυναμικό ως προς το εκάστοτε περιβάλλον τρόπο , επιτρέπει πλέον τον υπολογισμό της μέσης ισχύος του σήματος σε σχετικά ρεαλιστικό βαθμό. Για παράδειγμα έχει προταθεί τροποποίηση με την τρίτη δύναμη της απόστασης για ένα σύνολο εφαρμογών , που αφορούν συστήματα ασυρμάτων τηλεπικοινωνιών εξωτερικού περιβάλλοντος.Ένα εσωτερικό περιβάλλον απαιτεί μια πολύ πιο ντετερμινιστική φόρμουλα υπολογισμού των απωλειών ώστε να μπορέσει ο μελετητής να υπολογίσει με αξιοπιστία την ισχύ του σήματος σε μια δεδομένη θέση. Η ακρίβεια λοιπόν των μοντέλων εξαρτάται άμεσα από την ικανότητά τους να απεικονίσουν και να αποδώσουν με τη σειρά τους , μέσω των υπολογισμών, όλα αυτά τα σύνθετα φαινόμενα με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Η πλειοψηφία των RF μοντέλων που αναπτύσσονται στα πλαίσια ακόλουθων παραγράφων, έχει αναπτυχθεί και αξιολογηθεί για συστήματα κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας (GSM, PCS-1800, GPRS, UMTS). Προκειμένου να ξεπεραστούν διάφοροι περιορισμοί των αρχικών μοντέλων ως προς την συχνότητα λειτουργίας του συστήματος και την απόσταση πομπού-δέκτη (ουσιαστικά την εμβέλεια του μοντέλου), ορισμένες προεκτάσεις έχουν παρουσιαστεί σε διάφορες ερευνητικές εργασίες και χρησιμοποιούνται ευρέως . Ορισμένα νέα μοντέλα έχουν επίσης προστεθεί στα ήδη υπάρχοντα για τις συχνότητες συστημάτων κινητής τηλεφωνίας . Για άλλες περιοχές συχνοτήτων με έντονο ενδιαφέρον, πχ στα 5,2 GHz, διάφορες προτάσεις έχουν πραγματοποιηθεί, συχνά υποστηριζόμενες από μετρήσεις. Λαμβάνοντας υπόψη την συχνότητα των 2,4 GHz, δεν μπορούμε παρά να συμπεράνουμε ότι η όσο το δυνατόν πιο ακριβής και επιστημονικά αξιόπιστη μοντελοποίηση του ασύρματου διαύλου, ιδιαίτερα – άλλα όχι αποκλειστικά – για τοπολογίες εσωτερικών χώρων, είναι πολύ σημαντική για τον σχεδιασμό και την εύρυθμη λειτουργία των Wi-Fi συστημάτων και των WLAN δικτύων. Παρόλα αυτά, αν και στην υπάρχουσα βιβλιογραφία και στην διεθνή επιστημονική και ερευνητική κοινότητα υπάρχουν αρκετά σημαντικές εργασίες για την μοντελοποίηση του ασύρματου διαύλου στα 2,4 GHz , εντούτοις απουσίαζε, για πολύ καιρό, μία ολοκληρωμένη συγκριτική αντιπαραβολή και αξιολόγηση των βασικών θεωρητικών μοντέλων για τον υπολογισμό της μέσης απώλειας οδεύσεως στη συγκεκριμένη συχνότητα. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής , θα προσπαθήσουμε να αξιοποιήσουμε το σύνολο των μετρήσεων και των δεδομένων που συλλέξαμε , σε ρεαλιστικές συνθήκες και για πραγματικά συστήματα μετάδοσης , τόσο να αξιολογήσουμε τα ήδη υπάρχοντα RF μοντέλα , όσο και να προβούμε στις απαραίτητες προτάσεις και τροποποιήσεις όπου αυτό κριθεί σκόπιμο. Επίσης για τη σκίαση επιχειρούμε εδώ μια προσέγγιση υπολογισμού μέσω της χρήσης των RF μοντέλων και την ενσωμάτωση όλων των χαρακτηριστικών διάδοσης , που αφορούν και στα δύο στοιχεία των μεγάλης κλίμακας διαλείψεων. Οι μετρήσεις μέσης λαμβανόμενης ισχύος πραγματοποιήθηκαν σε πέντε διαφορετικές τοπολογίες. Σε κάθε μία από αυτές τις τοπολογίες ελήφθησαν μετρήσεις της μέσης λαμβανόμενης ισχύος σε διάφορες δειγματοληπτικές αποστάσεις πομπού-δέκτη ούτως ώστε να είναι εφικτή, με έναν υψηλό βαθμό αξιοπιστίας, η αξιολόγηση των βασικών μοντέλων απωλειών οδεύσεως. Ταυτόχρονα, μέσα από αυτή την διαδικασία, αξιολογήθηκε η αξιοπιστία των μοντέλων αναφορικά με τις ιδιαιτερότητες της κάθε τοπολογίας, που αποτυπώνονται ποιοτικά και ποσοτικά στους μηχανισμούς διάδοσης του ραδιοσήματος σε κάθε περίπτωση. / In modern wireless communications, a wide range of RF models are used to provide the median (average) value of the signal strength at a given distance from the transmitter and for a given frequency spectrum. In this procedure, certain geographical (ground, humidity, terrain irregularities), topological (heavy or scattered population, type of obstacles, density of the buildings) characteristics of the area, as well as certain specifications of the transmitter and receiver antennas (most notably antenna height and antenna gain) have to be taken into consideration. In most cases, the mean value of the path loss is expressed in dB in dependence with the frequency of the operating system and the distance between the transmitter and the receiver (for given antenna characteristics and a certain type of environment where the system operates). Thus, a deterministic knowledge of the average path loss (which along with the average rain loss and diffraction loss provides the overall propagation loss in dB) is available. However, distance and frequency limitations have led research to a further study and expanding of the existing empirical and semi-empirical models , for both outdoor and indoor scenarios. A fundamental parameter-based study of the path loss models is based on the concept that the second power law that is predicted by the Friis equation does not apply in real-life scenarios except for standard LOS paths. The modified power law research allows engineers and scholars to calculate the mean received power of a signal transmitted over a wireless link in a more realistic approach. It has been suggested that the third-power law is more suitable for a plethora of applications based on wireless communications for an outdoor environment.The indoor propagation channel, in particular, demands a lot more than a deterministic formula of calculating the average signal strength as a function of distance and frequency. The increased impact of multipath and other propagation phenomena such as reflection and scattering, as well as the existence of many objects whose proportions are comparatively close to the wavelength of the operating wireless systems, render the propagation of a signal and its arrival at a receiver (mobile or fixed) a rather complex procedure. The precision of the path loss models depends heavily on their ability to demonstrate and reflect, in the calculations, these complex phenomena to the best possible way .The majority of these models have been developed and validated for mobile telephony systems in both outdoor and indoor schemes (GSM, PCS-1800, GPRS, UMTS). Certain extensions of many of these models were conducted in order to expand the frequency and distance limitation of the original formulas. New empirical models have also been suggested for these certain frequencies .Taking into account the very sensitive and subject to many different factors nature of the indoor propagation channel, it is easily concluded that both researchers in academia and engineers in industry need to have reliable models that will predict precisely the average path loss over the indoor 2.4 GHz channel which is of utter importance as the de facto frequency of Wi-Fi and WLAN systems. A gap in aforementioned research, however, is that it either concentrates on multipath parameters or does not feature a full comparative validation of most well-known indoor path loss models.The purpose of this work is to present, all the data collected through experiments in realistic conditions and real telecom systems, in order to validate and modify (where necessary) the existing RF models. Furthermore an empirical formula to measure attenuation due to shadowing is derived through these RF models.Measurements took part in five different topologies. In each of them the mean received power was recorded, for various distances between the transmitter and the receiver, in order for our endeavor to validate the RF models in question to be reliable. Through this procedure, RF models where examined towards each topology’s distinctive characteristics that reflect in quality and quantity all the attenuation mechanisms that affect the propagated signal.

The growth and expansion of modern society rely heavily upon well-functioning data communication over the internet. This phenomenon is seen at the company Net Insight where the need for transferring a large amount of data in the form of media over the internet in an effective manner is a high priority. At the moment most internet traffic in the modern world is done by the use of the internet protocol TCP (Transmission Control Protocol) instead of the simpler protocol UDP (User Datagram Protocol). Although TCP works in an excellent manner for most kinds of data communication it seems that this might not always be the case, so the use of UDP might be the better option in some occurrences. It is therefore of high interest at Net Insight to see how different types of wireless networks behave under different network circumstances when data is sent in different ways through the use of UDP. Thereby this report focuses on the measurement and analysis of how different wireless networks, specifically 4G, 5.0 GHz and 2.4 GHz WLAN networks, behaves when exposed to varied network environments where data is transmitted by the use of UDP in different ways. To perform a network-analysis data is collected, processed, and then analyzed. This network-analysis resulted in many conclusions regarding network behavior and performance for the different wireless networks.

The main purpose of this thesis is to test a communications solution for the second to largest refugee settlement in the world, Bidi Bidi. A solution where it is possible to inform the refugees with necessary information, for example that the water at a specific location is currently contaminated or that food is provided at another location. The idea is to use nRF24L01+ modules which operate in the 2.4 GHz frequency band and send information through various ways. This includes turning LEDs' on and off, sending text Strings and streaming audio. The results showed that the modules are too unreliable for a refugee settlement. They also showed that it is not possible to send other types' of data while streaming audio, but there could be workarounds. It is clear that more knowledge and further investigations are needed.