International Telemetering Conference Proceedings / October 23-26, 2000 / Town & Country Hotel and Conference Center, San Diego, California / Pseudolites have been proposed for augmentation/replacement of the GPS system in radiolocation applications. However, a terrestrial pseudolite system suffers from the near-far effect due to received power disparities. Conventional code tracking loops as employed in GPS receivers are unable to suppress near-far interference. Here, a multiuser code tracking algorithm is presented based on the extended Kalman filter (EKF.) The EKF jointly tracks the delays and amplitudes of multiple received pseudolite waveforms. A modified EKF based on an approximate Bayesian estimator (BEKF) is also developed, which can in principle both acquire and track code delays, as well as detect loss-of-lock. Representative simulation results for the BEKF are presented for code tracking with 2 and 5 users.

Code-Division Multiple-Access (CDMA) is one of the leading digital wireless communication methods currently employed throughout the world. Third generation (3G) and future wireless CDMA systems are required to provide services to a large number of users where each user sends data burst only occasionally. The preferred approach is packet based CDMA so that many users share the same physical channel simultaneously. In CDMA, each user is assigned a pseudo-random (PN) code sequence. PN codephase synchronization between received signals and a locally generated replica by the receiver is one of the fundamental requirements for successful implementation of any CDMA technique. The customary approach is to start each CDMA packet with a synchronization preamble which consists of PN code without data modulation. Packets with preambles impose overheads for communications in CDMA systems especially for short packets such as mouse-clicks or ATM packets of a few hundred bits. Thus, it becomes desirable to perform PN codephase synchronization using the information-bearing signal without a preamble. This work uses a segmented matched filter (SMF) which is capable of acquiring PN codephase in the presence of data modulation. Hence the preamble can be eliminated, reducing the system overhead. Filter segmentation is also shown to increase the tolerance to Doppler shift and local carrier frequency offset. <p>Computer simulations in MATLAB® were carried out to determine various performance measures of the acquisition system. Substantial improvement in probability of correct codephase detection in the presence of multiple-access interference and data modulation is obtained by accumulating matched filter samples over several code cycles prior to making the codephase decision. Correct detection probabilities exceeding 99% are indicated from simulations with 25 co-users and 10 kHz carrier frequency offset or Doppler shift by accumulating five or more PN code cycles, using maximum selection detection criterion. Analysis and simulation also shows that cyclic accumulation can improve packet throughput by 50% and by as much as 100% under conditions of high offered traffic and Doppler shift for both fixed capacity and infinite capacity systems.

Code-Division Multiple-Access (CDMA) is one of the leading digital wireless communication methods currently employed throughout the world. Third generation (3G) and future wireless CDMA systems are required to provide services to a large number of users where each user sends data burst only occasionally. The preferred approach is packet based CDMA so that many users share the same physical channel simultaneously. In CDMA, each user is assigned a pseudo-random (PN) code sequence. PN codephase synchronization between received signals and a locally generated replica by the receiver is one of the fundamental requirements for successful implementation of any CDMA technique. The customary approach is to start each CDMA packet with a synchronization preamble which consists of PN code without data modulation. Packets with preambles impose overheads for communications in CDMA systems especially for short packets such as mouse-clicks or ATM packets of a few hundred bits. Thus, it becomes desirable to perform PN codephase synchronization using the information-bearing signal without a preamble. This work uses a segmented matched filter (SMF) which is capable of acquiring PN codephase in the presence of data modulation. Hence the preamble can be eliminated, reducing the system overhead. Filter segmentation is also shown to increase the tolerance to Doppler shift and local carrier frequency offset. <p>Computer simulations in MATLAB® were carried out to determine various performance measures of the acquisition system. Substantial improvement in probability of correct codephase detection in the presence of multiple-access interference and data modulation is obtained by accumulating matched filter samples over several code cycles prior to making the codephase decision. Correct detection probabilities exceeding 99% are indicated from simulations with 25 co-users and 10 kHz carrier frequency offset or Doppler shift by accumulating five or more PN code cycles, using maximum selection detection criterion. Analysis and simulation also shows that cyclic accumulation can improve packet throughput by 50% and by as much as 100% under conditions of high offered traffic and Doppler shift for both fixed capacity and infinite capacity systems.

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Robust signal acquisition is an important task in DS-SS receivers. The objective of the acquisition is to coarsely estimate the signal parameters such that the succeeding parameter tracking algorithms can be initialized. In particular, acquisition is needed to coarsely synchronize the receiver to the timing and frequency of the received signal. For this purpose mainly data aided and feedforward algorithms are applied. Using the maximum likelihood (ML) criterion, an estimator for the joint estimation of receive timing and frequency offset can be derived which determines the maximum of the Likelihood function over the whole parameter uncertainty region. Due to its high complexity the ML synchronizer is difficult to implement for practical applications. Hence, complexity reduced algorithms need to be derived. This thesis gives a systematic survey of acquisition algorithms and of performance analysis methods for analyzing such algorithms under mobile radio propagation conditions. The exploitation of multiple observations is investigated in order to improve the acquisition performance in terms of false alarm rate and acquisition time. In particular, optimal and suboptimal combining schemes for a fixed observation interval as well as sequential utilization of successive observations resulting in a variable observation length are analyzed. Another possibility to make the signal acquisition more efficient in terms of the acquisition time is to use multi stage acquisition algorithms. One class of those algorithms are the well known multiple dwell algorithms. A different approach is to design acquisition procedures in which the information about the unknown parameters is distributed among several stages such that each stage has to cope with a smaller uncertainty region in comparison to the overall parameter uncertainty. Analysis of multi stage algorithms followed by an extensive discussion of the 3GPP FDD downlink acquisition procedure as an example of a multi stage procedure with distributed information conclude the work. / Die zuverlässige Signalakquisition, die auch als Grobsynchronisation bezeichnet wird, stellt eine wichtige Aufgabe in DS-SS-Systemen dar. Das Ziel hierbei ist es, Schätzwerte fur die Übertragungsparameter derart zu bestimmen, dass die der Grobsynchronisation nachfolgende Feinsynchronisation initialisiert werden kann, d. h. dass die bestimmten Schätzwerte innerhalb des Fangbereiches der Feinsynchronisationsalgorithmen liegen. Insbesondere ist es für die Bestimmung von Synchronisationszeitpunkt und Frequenzversatz sinnvoll, eine Grobsynchronisation durchzuführen. Im Interesse einer begrenzten Komplexität sowie einer möglichst schnellen Akquisition finden vor allem datengestützte und vorwärtsverarbeitende Algorithmen Anwendung. Ausgehend vom Maximum-Likelihood-Kriterium (ML-Kriterium) können geeignete Schätzer für die gemeinsame Bestimmung von Synchronisationszeitpunkt und Frequenzversatz abgeleitet werden. Dabei ist das Maximum der Likelihood-Funktion innerhalb der Parameterunsicherheitsregion zu bestimmen. Aufgrund seiner hohen Komplexität ist der ML-Schatzer fur die Akquisition wenig geeignet; vielmehr müssen aufwandsgünstige Algorithmen mit ausreichender Leistungsfähigkeit gefunden werden. In dieser Arbeit werden verschiedene Algorithmen zur Parameterakquisition systematisierend gegenübergestellt. Weiterführend sind Verfahren zur Verbesserung des Akquisitionsverhaltens bezüglich Fehlalarm-Wahrscheinlichkeit und Akquisitionszeit unter Ausnutzung mehrfacher Beobachtung Gegenstand der Betrachtungen. Insbesondere optimale und suboptimale Verfahren mit fester Beobachtungsdauer sowie die sequentielle Auswertung aufeinander folgender Beobachtungen, bei der sich die Beobachtungsdauer nach der erreichten Entscheidungssicherheit bestimmt, werden analysiert. Als eine weitere Möglichkeit, die Signalakquisition in Bezug auf die Akquisitionszeit effizienter zu gestalten, werden mehrstufige Akquisitionsverfahren diskutiert. Es werden zum einen die häufig genutzten Mehrfach-Dwell-Algorithmen sowie mehrstufige Algorithmen mit verteilter Information betrachtet. Bei Letzteren Algorithmen wird jeder Akquisitionsstufe ein Teil der zur Synchronisation benötigten Information zugeordnet, wodurch sich die Parameter-Unsicherheit für jede einzelne Stufe verringert. Ziel hierbei ist es, durch Erhöhung der Entscheidungssicherheit der einzelnen Stufen die mittlere Akquisitionszeit zu reduzieren. Die Diskussion und die Analyse von mehrstufigen Akquisitionsverfahren bilden den Abschluss der Arbeit, wobei besonders auf die 3GPP-FDD Downlink-Akquisition als ein Beispiel fur mehrstufige Verfahren mit verteilter Information eingegangen wird.

Robust signal acquisition is an important task in DS-SS receivers. The objective of the acquisition is to coarsely estimate the signal parameters such that the succeeding parameter tracking algorithms can be initialized. In particular, acquisition is needed to coarsely synchronize the receiver to the timing and frequency of the received signal. For this purpose mainly data aided and feedforward algorithms are applied. Using the maximum likelihood (ML) criterion, an estimator for the joint estimation of receive timing and frequency offset can be derived which determines the maximum of the Likelihood function over the whole parameter uncertainty region. Due to its high complexity the ML synchronizer is difficult to implement for practical applications. Hence, complexity reduced algorithms need to be derived. This thesis gives a systematic survey of acquisition algorithms and of performance analysis methods for analyzing such algorithms under mobile radio propagation conditions. The exploitation of multiple observations is investigated in order to improve the acquisition performance in terms of false alarm rate and acquisition time. In particular, optimal and suboptimal combining schemes for a fixed observation interval as well as sequential utilization of successive observations resulting in a variable observation length are analyzed. Another possibility to make the signal acquisition more efficient in terms of the acquisition time is to use multi stage acquisition algorithms. One class of those algorithms are the well known multiple dwell algorithms. A different approach is to design acquisition procedures in which the information about the unknown parameters is distributed among several stages such that each stage has to cope with a smaller uncertainty region in comparison to the overall parameter uncertainty. Analysis of multi stage algorithms followed by an extensive discussion of the 3GPP FDD downlink acquisition procedure as an example of a multi stage procedure with distributed information conclude the work. / Die zuverlässige Signalakquisition, die auch als Grobsynchronisation bezeichnet wird, stellt eine wichtige Aufgabe in DS-SS-Systemen dar. Das Ziel hierbei ist es, Schätzwerte fur die Übertragungsparameter derart zu bestimmen, dass die der Grobsynchronisation nachfolgende Feinsynchronisation initialisiert werden kann, d. h. dass die bestimmten Schätzwerte innerhalb des Fangbereiches der Feinsynchronisationsalgorithmen liegen. Insbesondere ist es für die Bestimmung von Synchronisationszeitpunkt und Frequenzversatz sinnvoll, eine Grobsynchronisation durchzuführen. Im Interesse einer begrenzten Komplexität sowie einer möglichst schnellen Akquisition finden vor allem datengestützte und vorwärtsverarbeitende Algorithmen Anwendung. Ausgehend vom Maximum-Likelihood-Kriterium (ML-Kriterium) können geeignete Schätzer für die gemeinsame Bestimmung von Synchronisationszeitpunkt und Frequenzversatz abgeleitet werden. Dabei ist das Maximum der Likelihood-Funktion innerhalb der Parameterunsicherheitsregion zu bestimmen. Aufgrund seiner hohen Komplexität ist der ML-Schatzer fur die Akquisition wenig geeignet; vielmehr müssen aufwandsgünstige Algorithmen mit ausreichender Leistungsfähigkeit gefunden werden. In dieser Arbeit werden verschiedene Algorithmen zur Parameterakquisition systematisierend gegenübergestellt. Weiterführend sind Verfahren zur Verbesserung des Akquisitionsverhaltens bezüglich Fehlalarm-Wahrscheinlichkeit und Akquisitionszeit unter Ausnutzung mehrfacher Beobachtung Gegenstand der Betrachtungen. Insbesondere optimale und suboptimale Verfahren mit fester Beobachtungsdauer sowie die sequentielle Auswertung aufeinander folgender Beobachtungen, bei der sich die Beobachtungsdauer nach der erreichten Entscheidungssicherheit bestimmt, werden analysiert. Als eine weitere Möglichkeit, die Signalakquisition in Bezug auf die Akquisitionszeit effizienter zu gestalten, werden mehrstufige Akquisitionsverfahren diskutiert. Es werden zum einen die häufig genutzten Mehrfach-Dwell-Algorithmen sowie mehrstufige Algorithmen mit verteilter Information betrachtet. Bei Letzteren Algorithmen wird jeder Akquisitionsstufe ein Teil der zur Synchronisation benötigten Information zugeordnet, wodurch sich die Parameter-Unsicherheit für jede einzelne Stufe verringert. Ziel hierbei ist es, durch Erhöhung der Entscheidungssicherheit der einzelnen Stufen die mittlere Akquisitionszeit zu reduzieren. Die Diskussion und die Analyse von mehrstufigen Akquisitionsverfahren bilden den Abschluss der Arbeit, wobei besonders auf die 3GPP-FDD Downlink-Akquisition als ein Beispiel fur mehrstufige Verfahren mit verteilter Information eingegangen wird.