'It is not a lack of spectrum. It is an issue of efficient use of the available spectrum"--conclusions of the FCC Spectrum Policy Task Force. There is growing interest towards providing broadband communication with high bit rates and throughput, especially in the ISM band, as it was an ignition of innovation triggered by the FCC to provide, to some extent, a regulation-free band that anyone can use. But with such freedom comes the risk of interference and more responsibility to avoid causing it. Therefore, the need for accurate interference detection and identification, along with good blind detection capabilities are inevitable. Since cognitive radio is being adopted widely as more researchers consider it the ultimate solution for efficient spectrum sharing [1], it is reasonable to study the cognitive radio in the ISM band [2]. Many indications show that the ISM band will have less regulation in the future, and some even predict that the ISM may be completely regulation free [3]. In the dawn of cognitive radio, more knowledge about possible interfering signals should play a major role in determining optimal transmitter configurations. Since signal identification and interference will be the core concerns [4], [5], we will describe a novel approach for a cognitive radio spectrum sensing engine, which will be essential to design more efficient ISM band transceivers. In this thesis we propose a novel spectrum awareness engine to be integrated in the cognitive radios. Furthermore, the proposed engine is specialized for the ISM band, assuming that it can be one of the most challenging bands due to its free-to-use approach. It is shown that characterization of the interfering signals will help with overcoming their effects. This knowledge is invaluable to help choose the best configuration for the transceivers and will help to support the efforts of the coexistence attempts between wireless devices in such bands.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont pour but l'étude et l'optimisation d'un système de communications à haut-débit sur lignes électriques, mettant en œuvre les techniques combinant l'OFDM et le CDMA. Cette étude s'inscrit dans un contexte d'exploitation de la boucle locale électrique pour l'accès à l'Internet domestique.<br /><br />La première partie du document est consacrée à l'étude des spécifications du système de communications. Un état de l'art sur les communications par courant porteur est tout d'abord proposé, accompagné d'une synthèse sur la structure du réseau des lignes électriques et les caractéristiques du canal de propagation. Les différents choix concernant le système à développer sont ensuite envisagés pour l'obtention de communications multiutilisateurs en liaison point-à-multipoint dans un environnement multicellulaire. La combinaison entre l'OFDM et le CDMA, appelée SS-MC-MA, est retenue et une structure de trame est proposée.<br /><br />La deuxième partie du document est dédiée à l'étude des procédés de synchronisation et d'estimation de canal. Les effets des erreurs de synchronisation sont en premier lieu identifiés et la tolérance du système aux défauts de rythme est spécifiée. La procédure de synchronisation du système est ensuite décrite et des algorithmes conjoints et innovants de synchronisation temporelle fine et d'estimation de canal sont proposés. Deux approches reposant sur une mise en œuvre de ces algorithmes dans le domaine fréquentiel et temporel sont alors comparées. <br /><br />La dernière partie traite, dans le cas de signaux SS-MC-MA, de l'allocation globale des différentes ressources du système, dans les cas mono- et multi-utilisateur avec une connaissance parfaite du canal à l'émission. Le principe des modulations adaptatives appliqué à la DMT est tout d'abord abordé et adapté au contexte de l'étude. En considérant une limitation de la densité spectrale de puissance d'émission, de nouveaux algorithmes d'allocation sont ensuite développés en mode SS-MC-MA. Il est alors démontré que la composante étalement permet une meilleure exploitation des énergies disponibles sur chaque sous-porteuse, et de transmettre alors un débit plus élevé que la DMT ou de rendre la communication plus robuste. Les nombreux résultats obtenus dans diverses configurations montrent que le système SS-MC-MA adaptatif proposé est plus performant que la DMT pour les réseaux CPL.

L'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse est d'étudier l'association des techniques de transmission multi-antennes (MIMO) avec des schémas de réception itératifs dans un contexte de transmission sans fil haut débit.<br /><br />A largeur de bande et qualité de réception équivalentes, l'utilisation d'antennes multiples en communications numériques permet d'augmenter le débit utile de la transmission. Cependant sous l'hypothèse d'une non connaissance du canal à l'émission, les potentialités du canal MIMO ne sont généralement exploitées qu'au prix d'une réception très complexe, difficilement réalisable au sein d'un circuit intégré. <br /><br />Tout d'abord, afin de lutter contre la sélectivité fréquentielle et de simplifier le traitement en réception, nous choisissons d'associer la modulation multi-porteuses OFDM à des schémas de transmission MIMO. Par ailleurs, en étendant les résultats obtenus dans le domaine de la turbo-égalisation au contexte multi-antennes, nous étudions une technique de réception itérative adaptée au schéma de transmission MIMO-OFDM. L'utilisation de filtres linéaires optimisés au sens du critère Minimum Mean Square Error (MMSE) confère aux récepteurs une complexité raisonnable et conciliable avec les exigences d'implémentation.<br /><br />Les récepteurs proposés sont ensuite associés à des techniques complémentaires telles que le précodage linéaire ou le MC-CDMA. Il est démontré qu'en dimensionnant convenablement l'émission il est possible de tirer parti de toute la diversité du canal de propagation tout en exploitant de façon optimale sa capacité.<br /><br />Les performances de différents systèmes sont enfin évaluées sur différents canaux théoriques puis réalistes, en examinant notamment l'influence de la corrélation entre antennes et en intégrant la fonction d'estimation de canal. Dans ces différents contextes, la comparaison avec des systèmes conventionnels montre l'intérêt d'utiliser une réception itérative.

Les systèmes numériques de communications connaissent un essor considérable sous l'impulsion d'une demande de plus en plus pressante de mobilité, de diversité des services et d'intégration des applications multimédia les plus récentes. Les recherches présentées dans ce mémoire de thèse ont pour but l'étude de nouveaux systèmes de communications qui pourront s'appliquer aussi bien aux systèmes de radiocommunications mobiles qu'aux systèmes de communications à l'intérieur des bâtiments. L'élément nouveau est ici la combinaison de deux techniques : l'étalement de spectre permettant la mise en oeuvre d'un accès multiple à répartition de codes (AMRC) et les modulations à porteuses multiples (OFDM). Cette<br />combinaison permet de tirer partie de la robustesse et de l'efficacité spectrale de l'OFDM, et de la capacité d'accès multiple des techniques AMRC. Deux techniques associant l'OFDM et l'AMRC sont plus particulièrement analysées.<br /><br />La première technique, l'AMRC à porteuses multiples est étudiée sur un canal de Rayleigh à trajets multiples. En réception, plusieurs techniques d'égalisation ou de traitement de diversité sont mises en oeuvre et une approche plus globale de la détection est proposée. Elle consiste à intégrer la fonction de désétalement dans le processus d'égalisation, permettant ainsi d'améliorer la fiabilité de la détection. Ces techniques d'égalisation sont insérées et combinées de différentes façons dans des structures d'annulation d'interférences.<br /><br />Si le système AMRC à porteuses multiples est généralement proposé pour des liaisons synchrones ou quasi-synchrones, le système AMRC<br />multipilote peut être utilisé dans un contexte asynchrone. Les performances théoriques de ce système sont développées et comparées aux performances des systèmes AMRC à porteuse unique.

<p>Today radars are used to measure the distance to almost anything. It is used to determine the position of airplanes as well as the level of an oiltank. To achieve high precision in level gauging radars high quality components are demanded. This makes them expensive.</p><p>In this project we evaluate the possibility to use relatively cheap components, used in radio communication, to measure distances with an OFDM-modulated signal. The components are cheap due to large production volumes rather than low performance.</p><p>To do this we started with working out the theory needed for length estimation. At our disposal we had the SDR SFF Development Platform from Lyrtech. A simulation model of the platform was built in MatLab. This model was used to verify the theory developed. Finally our algorithms was implemented on the development platform.</p><p>Both simulations and real life measurements show that OFDM can be used to measure distances. Even though the hardware used in this project is not dedicated for this application we managed to perform measurements with good accuracy at short range. We believe that with more suitable hardware OFDM-radars will be able to compete with todays high end level gauging radars at all ranges.</p> / <p>Nu för tiden används radar för att mäta avstånd i en rad olika sammanhang. Det används till allt från att bestämma positionen på flygplan till att mäta nivån i oljetankar. För att uppnå den höga precision som krävs vid nivåmätning ställs höga krav på de ingående komponenterna. Detta gör att radarn blir dyr.</p><p>I detta examensarbete utvärderar vi möjligheten att använda relativt billiga komponenter, som används inom radiokommunikation, för att mäta avstånd med hjälp av en OFDM-modulerad signal. Dessa komponenter är billiga till följd av stora tillverkningsvolymer, inte för att de är dåliga.</p><p>Till att börja med tog vi fram den teori som behövdes för att skatta avstånd. Till vårt förfogande hade vi Lyrtechs SDR SFF Developmemt Platform. En simuleringsmodell av platformen gjordes i MatLab vilken användes för att verifiera teorin. Slutligen implementerades algoritmerna på utvecklingsplattformen.</p><p>Både simuleringar och riktiga mätningar visar att OFDM kan användas för att mäta avstånd. Trots att hårdvaran som användts under examensarbetet inte är anpassad för avståndsmätning blev mätresultaten goda för korta avstånd. Vi är övertygade om att med en, för ändamålet, mer anpassad hårdvara kommer en OFDM-radar upppnå samma precision som dagens högpresterande nivåmätareäven för längre avstånd.</p>

<p>DVB (Digital Video Broadcasting) is the television digital system. It's however much more than a simple replacement for existing analogue television transmission, this system has many advantages such as picture quality and allows you a range of new features and services including subtitling, multiple audio tracks, interactive content, multimedia content. </p><p>The system is based in the OFDM technology, which allows DVB system to exploit the spectrum frequencies in a better way, saving spectrum, but OFDM has an important drawback that is the peak to average power ratio problem. OFDM is based on the FFT algorithms generating orthogonal subcarriers. </p><p>This thesis talks about the improvement of the PAPR problem using the soft compression method. </p><p>The simulation has been developed in Simulink® and Matlab®. With all the information presented in this thesis, any user can simulate the system. Thus, this thesis can be improved using other techniques to solve the PAPR problem.</p>

<p>Efficient radio resource management is of paramount importance for achieving the high bit rates targeted by the 3GPP for the 3GPP Long-Term Evolution. The radio air interface must be able to provide both high peak bit rates and acceptable cell-edge bit rates. This thesis therefore investigates three methods which try to combine the peak bit rate of a reuse-1 system with the cell-edge bit rate of a reuse-3 system in an OFDM-based downlink. These methods are soft frequency reuse, reuse partitioning and one variation of soft frequency reuse, reuse-1 with prioritization.</p><p>In static simulations with one user per cell and a system load of 100 percent, a Shannon capacity gain of up to 18 percent at the 10th percentile is shown with reuse partitioning compared to a reuse-1 system. This gain comes coupled with a loss of only 5 percent at the median. Soft frequency reuse is also investigated statically and shows a 13 percent gain at the 10th percentile compared to a reuse-1 system. Having a lower 10th percentile gain than reuse partitioning, it also shows a slightly smaller loss of 4 percent at the median and a much smaller loss at the 90th percentile.</p><p>Dynamic simulations with a traffic model and multiple users per cell offer a more realistic scenario and show that the proposed intercell interference management methods do not provide the same throughput gains in the dynamic case at low system loads. If interference is not an issue, interference coordination is still costly in terms of limiting bandwidth and/or decreasing the scheduling gain, but provides no significant interference reduction. At low system loads, reuse-1 is therefore the best scheme although interference coordination might prove necessary to provide edge-user throughput at high loads. For such purposes, soft frequency reuse is shown to be a potential candidate and although not investigated in a dynamic setting, reuse partitioning is believed to have similar performance. The traffic model chosen in this thesis only allows study of low system loads but at these loads, soft frequency reuse performs promisingly close to a reuse-1 system.</p>

Le système OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) utilise plusieurs sous-porteuses pour transmettre de l'information. Comparé à un schéma mono-porteuse, la modulation multi-porteuses OFDM permet d'obtenir facilement des réglages optimaux (au sens de la capacité de Shannon) pour une transmission à haut débit sur un canal sélectif en fréquence. En ce sens, on peut alors garantir une transmission fiable et une meilleure gestion de l'énergie utilisée. Lors de la transmission avec une modulation OFDM, les sous-porteuses utilisent des canaux différents qui n'ont pas forcement la même atténuation. Allouer le même niveau de puissance à chaque sous-porteuse ne garantit pas une capacité optimale dans une liaison point à point. Une allocation dynamique de la puissance (c'est-à-dire attribuer différents niveaux de puissance aux sous-porteuses en fonction du canal) donne de meilleures performances. Par contre, dans une situation de diffusion (broadcast), l'émetteur ne connaît pas les canaux vers tous les utilisateurs, et la meilleure stratégie consiste à émettre avec la même puissance sur toutes les sous-porteuses. Cette thèse a pour objectif d'explorer les situations intermédiaires, et de proposer les outils d'allocation de puissance appropriés. Cette situation intermédiaire est appelée " multicast ", ou " multidiffusion " : l'émetteur envoie les signaux vers un nombre fini (pas trop grand) d'utilisateurs, dont il connaît les paramètres de canaux, et il peut adapter son émission à cette connaissance des canaux. On est donc dans une situation intermédiaire entre le " point à point " et la " diffusion ". L'objectif final de ce travail est d'évaluer le gain apporté par la connaissance des canaux en situation de multicast par rapport à la même communication effectuée comme si on était en diffusion. Bien évidemment, quand le nombre de destinataires est très grand, les gains seront négligeables, car le signal rencontre un nombre très élevé de canaux, et une allocation de puissance uniforme sera quasi optimale. Quand le nombre est très faible, on sera proche du point à point et les gains devraient être sensibles. Nous proposons des outils pour quantifier ces améliorations dans les cas de systèmes ayant une antenne à l'émission et une antenne à la réception, dit SISO (Single Input Single Output) et de systèmes avec plusieurs antennes, dits MIMO (Multiple Input Multiple Output). Les étapes nécessaires pour réaliser ce travail sont : 1) En supposant une connaissance préalable de l'état des canaux (entre station de base et terminaux), mettre en œuvre les outils de la théorie de l'information pour effectuer l'allocation de puissance et évaluer les capacités des systèmes étudiés. 2) Pour le système multi-utilisateur SISO-OFDM, nous proposons un algorithme d'allocation de puissance sur chaque sous porteuse dans une situation de multicast. 3) Pour le système multi-utilisateur MIMO-OFDM, nous proposons un algorithme qui exploite les caractéristiques du précodage "zero forcing". L'objectif est alors de partager la puissance disponible entre toutes les sous-porteuses et toutes les antennes. 4) Enfin, dans une dernière étape nous nous intéressons à une conception efficace de la situation de diffusion, afin de déterminer à l'aide d'outils de géométrie stochastique quelle zone peut être couverte afin qu'un pourcentage donné d'utilisateurs reçoivent une quantité d'information déterminée à l'avance. Ceci permet de déterminer la zone de couverture sans mettre en œuvre des simulations intensives. La combinaison de ces outils permet un choix efficace des situations qui relèvent de la " diffusion ", du " multicast " et du " point à point ".

Future cellular networks are expected to support extremely high data rates and user capacities. This thesis investigates the downlink of a wireless cellular system that takes advantage of multiple antennas at base stations and mobile stations, frequency reuse across all cells, and cooperation among base stations. We identify asynchronous interference resulting from multi-cell communication as a key challenge, prove the existence of a downlink/uplink duality in that case, and present a linear precoding scheme that exploits this duality. Since this result is not directly extendable to orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), we propose a `hybrid' algorithm for two cooperating base stations, which combines linear and nonlinear precoding. This algorithm minimizes the sum mean squared error of the system and is extendable to OFDM. Finally, we consider the problem of user selection for multiuser precoding in OFDM-based systems. We extend an available single-cell user selection scheme to multiple cooperating cells.

Advances in communications technologies entail demands for higher data rates. One of the popular solutions to fulfill this requirement was to allocate additional bandwidth, which unfortunately is not anymore viable due to spectrum scarcity. In addition, spectrum measurements around the globe have revealed the fact that the available spectrum is under-utilized. One of the most remarkable solutions to cope with the under-utilization of radio-frequency (RF) spectrum is the concept of cognitive radio (CR) with spectrum sharing features, also referred to as spectrum sharing systems. In CR systems, the main implementation issue is spectrum sensing because of the uncertainties in propagation channel, hidden primary user (PU) problem, sensing duration and security issues. Hence, the accuracy and reliability of the spectrum sensing information may inherently be suspicious and questionable. Due to the imprecise spectrum sensing information, this dissertation investigates the performance of an orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)-based CR spectrum sharing communication system that assumes random allocation and absence of the PU's channel occupation information, i.e., no spectrum sensing is employed to acquire information about the availability of unused subcarriers or the PU's activity. In addition, no cooperation occurs between the transmitters of the PUs and secondary users (SUs). The main benefit of random subcarrier utilization is to uniformly distribute the amount of SUs' interference among the PUs' subcarriers, which can be termed as interference spreading. The analysis and performance of such a communication set-up provides useful insights and can be utilized as a valid benchmark for performance comparison studies in CR spectrum sharing systems that assume the availability of spectrum sensing information. In the first part this dissertation, due to the lack of information about PUs' activities, the SU randomly allocates the subcarriers of the primary network and collide with the PUs' subcarriers with a certain probability. The average capacity of SU with subcarrier collisions is employed as performance measure to investigate the proposed random allocation scheme for both general and Rayleigh channel fading models. In the presence of multiple SUs, the multiuser diversity gain of SUs is also investigated. To avoid the subcarrier collisions at the SUs due to the random allocation scheme and to obtain the maximum sum rate for SUs based on the available subcarriers, an efficient centralized sequential algorithm based on the opportunistic scheduling and random allocation (utilization) methods is proposed to ensure the orthogonality of assigned subcarriers. In the second part of this dissertation, in addition to the collisions between the SUs and PUs, the inter-cell collisions among the subcarriers of SUs (belonging to different cells) are assumed to occur due to the inherent nature of random access scheme. A stochastic analysis of the number of subcarrier collisions between the SUs' and PU's subcarriers assuming fixed and random number of subcarriers requirements for each user is conducted. The performance of the random scheme in terms of capacity and capacity (rate) loss caused by the subcarrier collisions is investigated by assuming an interference power constraint at PU to protect its operation. Lastly, a theoretical channel fading model, termed hyper fading channel model, that is suitable to the dynamic nature of CR channel is proposed and analyzed. To perform a general analysis, the achievable average capacity of CR spectrum sharing systems over the proposed dynamic fading environments is studied.