Detection of Fragmented Telegrams in Multi-User MIMO Channels
Detektion von fragmentierten Telegrammen in Multi-User MIMO Kanälen
Creators: name: Neumüller, Clemens
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: MU-MIMO, LPWAN, Signal Detection

description: This thesis deals with the detection of fragmented telegrams in low power wide area networks (LPWANs). In particular, interference and fading channels are considered. Furthermore, packets with a signal power significantly below the noise power are to be detected reliably. The large time gaps between the individual bursts and the associated extensive loss of channel information denote special challenges in the detection of these telemetry telegrams. As a result, and in combination with the short length of the pilot sequences, noise and interfering signals are only suppressed to a comparatively small extent. In order to keep the false detection rate low while maintaining a high detection reliability, generalized hypothesis tests based on optimal burst metrics are developed and analyzed. These detectors are derived for a general number of receive antennas and arbitrary pilot sequences. Furthermore, closed-form expressions for their approximate detection and false detection probabilities could be derived. Specifically for the multi-user (MU)-multiple-input multiple-output (MIMO) channel, which is accessed by multiple unsynchronized users, a robust detector is considered in more detail. By exploiting spatial diversity, it may cancel up to $N_R -1$ interferers when employed in a receiver with $N_R$ antennas. Furthermore, the system-induced overlap among the hopping patterns of different telegrams poses a challenge. Suitable downstream hypothesis tests are capable of avoiding system-related false detections to a great extent. Based on these theoretical considerations, a software defined radio (SDR) detector architecture is proposed. For this, the general detection approach is adapted to the special circumstances of minimum-shift keying (MSK) modulated pilot sequences in the bursts' center. In order to handle the necessary multiple million telegram detections per second, this architecture is designed to be very efficient and makes use of heuristic and approximate methods. The circumstances of real-world transmissions such as non-ideal time and frequency synchronization are individually analyzed and the theoretical results are supported by simulations. Finally, the performance of a detector based on the theoretical considerations and implemented for an SDR is verified in a simulated multi-user interference scenario.
description: Die vorliegende Arbeit behandelt die Detektion von fragmentierten Telegrammen in low power wide area networks (LPWANs). Dabei wird insbesondere der Interferenz und Schwund Kanal betrachtet. Auch Pakete mit einer Signalleistung deutlich unterhalb der Rauschleistung sollen zuverlässig detektiert werden. Die großen Zeitabstände zwischen den einzelnen Unterpaketen und der damit einhergehende weitgehende Verlust der Kanalinformation stellen bei der Detektion dieser Telemetrie Daten besondere Herausforderungen dar. Dadurch und in Kombination mit der kurzen Länge der Pilotsequenzen werden störende Rausch- und Interferenzsignale nur vergleichsweise geringfügig unterdrückt. Um bei einer hohen Detektionszuverlässigkeit die Fehldetektionsrate dennoch gering zu halten, werden mittels des verallgemeinerten Hypothesentests auf optimalen Unterpaket-Metriken basierende Telegramm Detektoren entwickelt und verglichen. Diese Detektoren werden für eine allgemeine Anzahl von Empfangsantennen und beliebige Pilotsequenzen hergeleitet. Es werden mathematisch geschlossene Funktionen zur näherungsweisen Angabe der Detektions- und Fehldetektionswahrscheinlichkeit hergeleitet. Speziell für den multi-user (MU)-multiple-input multiple-output (MIMO) Kanal, auf den mehrere Nutzer unsynchronisiert zugreifen, wird ein robuster Detektor genauer betrachtet. Durch das Ausnutzen der räumlichen Diversität kann dieser in einem Empfänger mit $N_R$ Antennen bis zu $N_R -1$ Störer ausblenden. Weiterhin stellt die systembedingte Überlagerung der Sprungmuster verschiedener Telegramme eine Herausforderung dar. Durch geeignete nachgelagerte Hypothesentests können systembedingte Fehldetektionen jedoch weitestgehend vermieden werden. Aufbauend auf diesen theoretischen Überlegungen wird eine Detektorarchitektur für einen Softwareempfänger vorgeschlagen. Dabei wird der allgemeine Detektionsansatz an die besonderen Gegebenheiten der minimum-shift keying (MSK) modulierten Pilotsequenz innerhalb der Unterpakete angepasst. Um die benötigten mehreren Millionen Telegramm Detektionen pro Sekunde berechnen zu können, ist diese Architektur besonders effizient gestaltet und nutzt heuristische Ansätze und Näherungen. Die Einflüsse von realen Funkübertragungen, wie eine nicht ideale Zeit und Frequenzsynchronisation, werden individuell betrachtet und die theoretischen Ergebnisse werden durch Simulationen gestützt. Abschließend wird die Leistungsfähigkeit eines auf den theoretischen Überlegungen basierenden Detektors für einen Softwareempfänger in einem Simulierten Mehrbenutzerinterferenz Szenario verifiziert.