Resource Allocation Strategies and Linear Precoded OFDM Optimization for Ultra-Wideband CommunicationsReport as inadecuate

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1 IETR - Institut d-Electronique et de Télécommunications de Rennes

Abstract : Ultra-wideband UWB is a fast technology that has recently attracted considerable interest in the research and standardization communities, due to its ability to provide high data rate at low cost and low power consumption. The objective of this thesis is to propose a new UWB system for high data rate wireless personal area network WPAN applications, based on the well-known multiband orthogonal frequency-division multiplexing MB-OFDM solution supported by the WiMedia Alliance.In a first step, we analytically investigate the use of a linear precoded OFDM LP OFDM waveform for UWB systems. The resulting scheme reduces in practice to a simple addition of a precoding matrix, or equivalently spreading sequences, to the MB OFDM transmission chain, which does not increase the system complexity significantly. The precoding function is then analytically optimized and different resource allocation strategies based on a classical target symbol-error-rate SER approach and on a new mean bit-error-rate BER approach are investigated. Efficient allocation algorithms maximizing the system range and throughput, and minimizing the system mean BER, are thus proposed for different application scenarios. The numerical results of simulations carried out on the different adaptive and non-adaptive schemes show that the LP-OFDM system outperforms the MB-OFDM system in terms of throughput and range. This is due to the spreading gain provided by the linear precoding component, and to the efficiency of the proposed algorithms.In a second step, a global UWB system approach is carried out. This system study, complementary to the analytical one, points out the advantages of appropriately adding the linear precoding to the MB-OFDM solution. Furthermore, a MIMO component is added to the LP-OFDM system in order to improve the system robustness as well as to provide a data rate of 1 Gb-s. System simulation results show that the joint use of MIMO and LP OFDM schemes in UWB leads to a significant system improvement compared to the MB-OFDM system. Thus, the proposed MIMO LP-OFDM system can be advantageously exploited for high data rate UWB applications at reasonable additional system complexity.This work was carried out at the Institute of Electronics and Telecommunications of Rennes IETR - National Institute of Applied Sciences INSA. It was sponsored by Orange Labs RESA-WIN-CREM France Télécom R&D within an external research contract. This research was also part of the European Community ICT FP7 OMEGA project OMEGA.

Résumé : L-ultra large bande UWB est une nouvelle technologie à fort potentiel pour les futurs réseaux personnels WPAN wireless personal area networks à très haut débit et faible portée. L-objectif de cette thèse est de proposer un nouveau système UWB, de type LP-OFDM linear precoded orthogonal frequency division multiplexing pour les applications WPAN, visant à améliorer la solution MB-OFDM multiband OFDM, supportée par l-Alliance WiMedia.Dans un premier temps, une étude analytique est menée sur l-apport de la composante de précodage au système UWB, cette composante se réduisant en pratique à une simple addition d-une matrice d-étalement fréquentiel. La fonction de précodage est ensuite optimisée et différentes stratégies d-allocation dynamique des ressources sont étudiées. En considérant une approche classique tenant compte du taux d-erreur symbole TES ainsi qu-une nouvelle approche tenant compte du taux d-erreur binaire TEB moyen, différents algorithmes d-allocation dynamique visant à maximiser la portée ou le débit du système, ou à minimiser le TEB moyen du système, sont proposés. Les résultats analytiques montrent l-avantage d-utiliser une composante de précodage pour les applications UWB dont le canal est très sélectif en fréquence.Dans un second temps, une étude système complémentaire à l-étude analytique est réalisée pour le système LP-OFDM UWB. Une composante MIMO est ajoutée au système, d-une part pour augmenter la portée du système à bas et moyen débit, et d-autre part pour augmenter le débit du système qui peut atteindre dans ce cas 1 gigabit-s. Les résultats de simulation sur le système proposé montrent que ce système est plus performant que le système MB-OFDM pour les débits déjà proposés dans la norme, et qu-il offre un débit deux fois plus important que ceux de la norme avec même une meilleure performance en terme de TEB.

Keywords : BER LP-OFDM MC-CDMA MIMO OFDM Resource Allocation UWB WiMedia

Author: Antoine Stephan -



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