Impulse Radio Ultra-wideband (IR-UWB) technology has been considered as a promising candidate for short-range indoor wireless communications. Due to the characteristic of extremely broad bandwidth, the regulations of considerate system have been existed such as pulse shape design to meet the spectral mask and reducing processing burden for practical implementation. In this paper, we propose the practical pulse shape design strategy and efficient low complexity channel modeling method in consideration of those UWB system restrictions.
The pulse shape of UWB system needs to be judiciously designed in order to coexist with other narrow band systems and to meet the requirements on the power spectral mask defined by Federal Communications Commission (FCC) and the IEEE 802.15.4a standard. However, most of the research on pulse shape has focused on meeting the FCC spectral mask, while few studies have been conducted to satisfy the IEEE 802.15.4a standard. For orthogonal pulses which are often required for high-rate modulation, meeting both constraints becomes challenging. Therefore, in this letter, we propose a novel strategy to generate multiple orthogonal pulses taking both of the IEEE 802.15.4a and the FCC constraints into consideration. The modified root-raised cosine (MRRC) pulse is developed as a single pulse satisfying both constraints. By modulating the MRRC pulse with orthogonal bases generated by the Gram-Schmidt orthonormal process, the multiple pulses are established. In order to maintain the orthogonality of proposed multiple pulses at the receiver, we proposed a orthogonal design method using the QR decomposition method.
The performance analysis is also presented with mathematical derivations and numerical simulations to show that the proposed pulses can be utilized for higher data rate or lower error rate.
In indoor localization application using UWB signal, the accurate measurement and channel modeling in UWB system also need to estimate the accurate distance. There are two channel sounding technique for UWB: one is time domain technique and the other is frequency domain technique. Since the time domain technique needs very high chip rate for GHz bandwidth, the frequency domain technique is employed for practical usage. However, the frequency domain measurement requires long sweeping time under the assumption it has relatively large channel coherent time. Therefore, for the accurate channel modeling in UWB system, the channel measurement should be carried out within static channel environment, but it has extremely large number of samples to be measured due to ultra wide bandwidth. Fortunately, since the channel impulse response of UWB has many negligible time intervals, it is appropriate to apply the compressed sensing (CS) algorithm for the UWB channel modeling which defined with the time of arrival (ToA) and received signal power parameters. Therefore, we measure the radio propagation using CS method in frequency domain for indoor channel modeling. Furthermore, to improve the performance, we apply the soft thresholding method and find the appropriate the threshold value numerically. Using the proposed channel modeling method based on CS, the indoor UWB channel is measured in real experiment and the estimated channel response is analyzed in terms of location estimation error.
초광대역(Ultra-Wideband) 시스템은 low-duty cycle, 다중 경로 페이딩효과에 강한 특성 및 높은 ranging/positioning 정확도 등의 이점으로 현재 실내 근거리 통신 및 위치 인식 기술에 적용하기 아주 적합한 기술로 주목을 받고 있다. 하지만 초광대역 시스템은 무척 넓은 주파수 대역을 이용하여 주파수를 전송하기 때문에 기존의 협대역 통신 시스템과의 대역폭 공유로 인한 충돌문제가 발생하게 된다. 따라서 UWB를 사용하는 기기들은 기존 통신 기기와의 충돌을 방지하기 위한 펄스 디자인 연구가 필수로 필요하게 된다. 또한 UWB 신호는 실내 위치 인식 기술에 널리 적용되고 있는데, 이때 측위 시스템의 효율적 운용을 위해선 채널 환경에 대한 모델링이 선행되어야 한다. 하지만 UWB의 광대역 신호는 시간 도메인에서는 임펄스 신호로 전송되기 때문에 높은 샘플링 주기나, 복잡한 신호처리를 요구하게 되며, 이는 실제 시스템에 UWB신호를 적용하는 것을 불가능 하게 만들거나, 고가의 H/W 를 요구하게 된다. 따라서 본 논문에서는 UWB 시스템에서 발생 할 수 있는 시스템의 제한들을 고려한 새로운 펄스 디자인 기법 및 저복잡도 실내 채널 모델링에 관한 연구를 진행하였다.
먼저 UWB 시스템의 펄스 디자인에 관한 연구는 기존에 FCC에 의해 공표된 spectral mask를 만족하거나, 다중 직교 펄스 생성하기 위한 연구만 진행되어 왔던 것과는 달리 본 논문에서는 실제 구현 시 반드시 만족해야 하는 표준 제한을 고려한 펄스 디자인을 제안 하였다. UWB의 표준인 IEEE 802.15.4a 표준 제한을 고려하면서 FCC 조건까지 만족하며 나아가 그러한 펄스들이 각각의 직교성을 갖는 다중 펄스로 확장 시킬 수 있는 펄스 디자인 기법을 제안하였다. 표준을 만족하는 Modified root raised cosine pulse를 기본 펄스로 생성한 후 Gram-Schmidt polynomial을 응용하여 확장된 다중 직교펄스를 전송단에서 생성하게 된다. 표준 조건과 직교성 사이의 수학적 모순을 풀기 위하여 전송단과 수신단에서의 분리된 펄스를 디자인 하였다. 수신단 matched filter에서 직교성을 유지하도록 하기 위해 QR decomposition기법을 응용한 template pulse를 디자인 함으로써 전송단에서는 표준을 그대로 만족하고, 수신단에서 직교성을 가질 수 있도록 시스템을 디자인 하였다. 또한 제안한 직교 펄스들의 성능을 분석하기 위하여 data rate/BER을 향상 시킬 수 있는 pulse modulation 방식을 차용하여 이론적 성능 분석을 하였으며, 이를 실험값과 비교하여 일치함을 보였다.
또한 UWB 신호를 이용한 실내 환경의 채널 모델링에 관한 연구는 실제 UWB 신호를 측정 시 frequency domain 측정을 하게 되는데 이때 광대역 신호로 인한 연산의 복잡도 및 채널의 변화를 최소화 위기 위하여 압축 기술 중 하나로 각광받고 있는 compressed sensing 기법을 적용한 채널 모델링을 제안하였다. 실제 측정시 적은 data만을 추출하고 CS를 적용하여 실제 주파수 영역의 분포를 복원 해 낸 후 ToA 값과 수신 전력을 추출 하여 채널 모델링을 하였다 또한 정확도를 향상 시키기 위하여 soft thresholding 기법을 적용하여 ToA 검출 성능을 높일 수 있는 최적의 threshold를 이론적으로 찾아냈으며, 이를 실제 UWB 채널 측정 적용하여 다양한 환경에서의 채널 모델링 성능을 분석하였다.
따라서 본 논문에는 UWB 시스템에서 발생할 수 있는 시스템 제한들을 고려한 시스템 디자인: IEEE 802.15.4a 표준, FCC spectral mask를 만족하면서 다중 직교성을 지니는 펄스 디자인 및 높은 연산 복잡도를 줄인 CS 적용 실내 채널 모델링 제안하였으며, 이론적 성능 검증뿐만이 아니라 실제 채널 검출 실험까지 수행하여 제안 기술의 성능을 이론적/실험적 측면에서 모두 검증하였다
