University of Oulu

Code acquisition in direct sequence spread spectrum systems using smart antennas

Saved in:
Author: Puska, Henri
Organizations: University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Electrical and Information Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 0.7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514290497
Language: English
Published: 2009
Publish Date: 2009-03-24
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Faculty of Technology of the University of Oulu, for public defence in Raahensali (Auditorium L10), Linnanmaa, on April 3rd, 2009, at 12 noon
Reviewer: Doctor Marcos Katz
Professor Erik Ström
Description:

Abstract

In this doctoral thesis, initial code synchronization (i.e., code acquisition) of a direct sequence spread spectrum (DS/SS) system is studied when a smart antenna is used in a receiver. Code synchronization means time synchronization of the used spreading code in the receiver. After an introduction to the topic, a literature review of code acquisition is presented. In addition, a review of the results in the literature under fading, data modulation, Doppler, intentional interference, multiple-access interference, other system interference, and multiple antennas is given. After that, an overview of the smart antennas, especially focusing on digital beamforming and direction-of-arrival (DOA) estimation algorithms is presented.

The end part of the thesis concentrates on the author’s own research of the topic. Original articles of this article dissertation have been classified according to their contents into two groups. The first group covers DS/SS code acquisition performance in intentional interference by exploiting how well different beamforming algorithms can eliminate narrowband and wideband interfering signals in the case, where the DOA of the desired signal is known. The obtained results show that most spatial beamforming algorithms are capable of cancelling multiple different types of interfering signals if they are not arriving from the same direction as the desired signal. If angle separation between desired and interfering signals is not sufficient, then more complex methods have to be used. The second group of articles focuses on a theoretical analysis of synchronization probabilities and mean acquisition times. If the DOA of the desired signal is unknown, the whole angular uncertainty region can be divided into small angular cells using beamforming techniques, as is proposed in the literature. Then there is a two-dimensional (delay-angle) acquisition problem. In this thesis, the research work of that area is expanded to cover also advanced beamforming techniques, since they offer increased interference suppression capability. It is shown that the code acquisition performance of the delay-angle method can be improved in some cases by adding a DOA estimator into the system, because it may reduce the number of required angular cells. In addition, such a minimum mean square error (MMSE) beamforming structure is proposed, where only one period of the known pseudo noise spreading code is used as a reference signal. The method was shown to have better acquisition performance than the delay-angle method has, since MMSE beamforming does not need DOA information. However, in this thesis, such a method was not found which outperforms the rest of the methods in all scenarios.


Tiivistelmä

Tässä väitöstyössä tutkitaan suorahajotushajaspektrijärjestelmän (DS/SS, direct sequence spread spectrum) koodisynkronoinnin etsintävaihetta, kun vastaanottimessa käytetään älyantennia. Koodisynkronoinnilla tarkoitetaan järjestelmän käyttämän hajotuskoodin ajastuksen synkronointia vastaanottimessa. Johdannon jälkeen esitetään kirjallisuuskatsaus koodisynkronointiin sekä tuodaan esille kirjallisuudesta löytyviä tutkimustuloksia aihepiiristä seuraavissa tilanteissa: häipyvä kanava, Doppler-ilmiö, tahallinen häirintä, monikäyttöhäiriö, muiden järjestelmien aiheuttama häiriö sekä moniantennijärjestelmät. Tämän jälkeen esitetään yleiskatsaus älyantenneihin kohdistuen erityisesti digitaalisiin keilanmuodostus- sekä suuntaestimointialgoritmeihin.

Työn loppuosa keskittyy kirjoittajan omaan tutkimukseen aiheesta. Tämän nippuväitöskirjan alkuperäiset artikkelit on luokiteltu kahteen ryhmään niiden sisältöön perustuen. Ensimmäinen ryhmä käsittelee DS/SS-järjestelmän koodisynkronoinnin etsintävaiheen suorituskykyä tahallisessa häirinnässä tutkimalla, miten hyvin erilaiset keilanmuodostusalgoritmit kykenevät poistamaan kapea- ja leveäkaistaisia häirintäsignaaleja tilanteessa, jossa hyötysignaalin tulosuunta tiedetään. Tutkimustulokset osoittavat, että monet tilatason keilanmuodostusalgoritmit kykenevät poistamaan useita erityyppisiä häirintäsignaaleita, jos ne eivät saavu hyötysignaalin kanssa samasta suunnasta. Mikäli kulmaero hyöty- ja häirintäsignaalien välillä ei ole riittävä, joudutaan käyttämään rakenteeltaan monimutkaisempia menetelmiä. Toinen ryhmä artikkeleita keskittyy synkronointiin liittyvien todennäköisyyksien ja keskimääräisen etsintäajan teoreettiseen analyysiin. Jos hyötysignaalin tulosuunta on tuntematon, voidaan kulmaepävarmuusalue jakaa pieniin kulmasoluihin käyttäen keilanmuodostustekniikoita, kuten kirjallisuudessa esitetään. Tällöin kyseessä on kaksiulotteinen (viive-kulma) etsintäongelma. Tässä työssä kyseistä tutkimusaihetta laajennetaan koskemaan myös edistyneet keilanmuodostusmenetelmät, koska ne tarjoavat parantuneen häiriönvaimennuskyvyn. Työssä osoitetaan, että viive-kulma menetelmän suorituskykyä voidaan parantaa joissakin tilanteissa lisäämällä järjestelmään suuntaestimaattori, koska se saattaa vähentää tarvittavien kulmasolujen lukumäärää. Lisäksi tutkitaan sellaista pienimmän keskineliövirheen (MMSE, minimum mean square error) keilanmuodostusmenetelmää, jossa ainoastaan yhtä hajotuskoodin koodijaksoa käytetään opetukseen. Kyseisellä menetelmällä todettiin olevan parempi suorituskyky kuin viive-kulma etsinnällä, koska MMSE-menetelmä ei tarvitse suuntainformaatiota. Tässä työssä ei kuitenkaan löydetty yhtä sellaista menetelmää, jonka suorituskyky on muita parempi kaikissa tilanteissa.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN-E: 1796-2226
ISBN: 978-951-42-9049-7
ISBN Print: 978-951-42-9048-0
Issue: 318
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.