Browsing by Author "Oberli Graf, Christian Robert"

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    A DAC reconstruction filter for narrowband long distance Communications
    (IEEE, 2014) Aldunate Varela, Joaquín Pablo; Feres Ducci, Carlos Jose; Vlahoyiannatos, Spyros; Oberli Graf, Christian Robert; de Villers-Grandchamps Zaldivar, Jean-Paul Idesbald; Guarini Hermann, Marcelo Walter
    There are applications that require long-range, low data rate and low power consumption communications that could be implemented with wireless sensor networks equipped with multiple antennas. We are implementing a transceiver for that purpose. The transceiver requires a specific reconstruction filter which isn't commercially available for our target technology, XFAB XH018. An integrated active DAC reconstruction filter was designed and implemented on the target technology using Synopsys design tools. This document present the design, implementation and testing of the reconstruction filter. The filter achieved the design requirements.
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    A low-complexity channel training method for efficient SVD beamforming over MIMO channels
    (2021) Kettlun, Felipe; Rosas de Andraca, Fernando Ernesto; Oberli Graf, Christian Robert
    Abstract Singular value decomposition (SVD) beamforming is an attractive tool for reducing the energy consumption of data transmissions in wireless sensor networks whose nodes are equipped with multiple antennas. However, this method is often not practical due to two important shortcomings: it requires channel state information at the transmitter and the computation of the SVD of the channel matrix is generally too complex. To deal with these issues, we propose a method for establishing an SVD beamforming link without requiring feedback of actual channel or SVD coefficients to the transmitter. Concretely, our method takes advantage of channel reciprocity and a power iteration algorithm (PIA) for determining the precoding and decoding singular vectors from received preamble sequences. A low-complexity version that performs no iterations is proposed and shown to have a signal-to-noise-ratio (SNR) loss within 1 dB of the bit error rate of SVD beamforming with least squares channel estimates. The low-complexity method significantly outperforms maximum ratio combining diversity and Alamouti coding. We also show that the computational cost of the proposed PIA-based method is less than the one of using the Golub–Reinsch algorithm for obtaining the SVD. The number of computations of the low-complexity version is an order of magnitude smaller than with Golub–Reinsch. This difference grows further with antenna array size.
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    Adquisición en redes inalámbricas de sensores con múltiples antenas
    (2018) Aldunate Varela, Joaquín Pablo, autor; Oberli Graf, Christian Robert; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    En comunicaciones inalámbricas de datos empaquetados, el receptor debe detectar la presencia de una señal en el aire y determinar su instante de inicio. La detección de la señal es usualmente facilitada transmitiendo una secuencia de preámbulo conocida por el receptor. La detección se realiza bajo disparidades entre el transmisor y el receptor tales como ruido térmico, desviación de frecuencia y desvanecimientos estocásticos del canal inalámbrico, las que por lo general son desconocidas por el receptor. Técnicas tradicionales de diversidad con múltiples antenas receptoras se han utilizado para mejorar la calidad del enlace bajo las disparidades mencionadas. Sin embargo, estas necesitan información del estado del canal, especialmente compleja de obtener en situaciones con baja razón señal a ruido (SNR). Este trabajo presenta un esquema de detección basado en un preámbulo codificado diferencialmente y múltiples antenas receptoras que permite detectar señales a muy baja SNR sin requerir información del estado del canal inalámbrico. El esquema de detección no sufre de las limitaciones de las técnicas tradicionales. Se encontró que: i) la probabilidad de falsa alarma es fuertemente reducida al aumentar el número de antenas receptoras, ii) la curva de probabilidad de adquisición fallida posee un valor mínimo, que en conjunto con toda la curva, disminuye al aumentar el número de ramas receptoras, y iii) se obtiene un mejor compromiso entre la probabilidad de falsa alarma y de adquisición fallida con más ramas receptoras. El desempeño del esquema propuesto fue analizado teóricamente y validado a través de simulaciones y experimentos.
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    Analysis of synchronization impairments for cooperative base stations using OFDM
    (2015) Manolakis, K.; Oberli Graf, Christian Robert; Jungnickel, V.; Rosas, F.
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    Analytical models for channel aging and synchronization errors for base station cooperation
    (IEEE, 2013) Manolakis, K.; Oberli Graf, Christian Robert; Herrera Pereira, Lurys; Jungnickel, V.
    Base station cooperation is a powerful technique for eliminating inter-cell interference and enhancing spectral efficiency in cellular networks. However, impairment effects due to channel time variance, channel estimation, feedback quantization and imperfect synchronization among base stations are limiting the potential gains. In this paper, we present a comprehensive signal model for multi-user multi-cellular systems with cooperating base stations, which includes those essential impairments. The effect of each impairment is captured by its mean square error (MSE), for which exact analytical expressions and accurate approximations are derived and numerically verified. Those MSE expressions can be used for link-layer abstraction, system-level evaluation and signal to interference ratio (SIR) analysis. We evaluate the spectral efficiency of cooperative networks considering a real-world scenario and find that channel aging has the largest impact on performance degradation.
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    Cooperative cellular networks Overcoming the effects of real-world impairments
    (2015) Manolakis, Konstantinos; Jungnickel, Volker; Oberli Graf, Christian Robert; Wild, Thorsten; Braun, Volker; Vucic, Nikola; Castaneda, Mario
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    Daily and seasonal variation of the surface temperature lapse rate and 0 degrees C isotherm height in the western subtropical Andes
    (2021) Ibáñez Reyes, María de los Ángeles; Gironás León, Jorge Alfredo; Oberli Graf, Christian Robert; Cristián Chadwick; René D. Garreaud
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    Delay probability distribution of acknowledged transmissions over fading channels with CSMA/CA channel access and finite retries
    (2024) Madariaga Suárez, Nicolás Agustín; Oberli Graf, Christian Robert; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La distribución de probabilidad del retardo de acknowledged transmissions entre un par de dispositivos en una red de sensores es una herramienta fundamental para optimización de rutas o optimizaciones a nivel de red. Estas distribuciones son usualmente derivadas con cadenas de Markov, lo que requiere de la solución de sistemas de ecuaciones no lineales y la utilización de técnicas de aproximación de distribuciones de probabilidad. Estos métodos entregan modelos computacionalmente intensos, son matemáticamente intratables y requieren de una visión centralizada de una red, lo que hace que sean imposibles de implementar en redes sin coordinador. Por otro lado, trabajos con métodos probabilísticos modelan políticas de retransmisión obsoletas que no se utilizan en este contexto o una combinación de métodos probabilísticos con estocásticos. En este trabajo se presenta una estructura de modelo probabilístico descentralizado para el loop de control del protocolo Beacon-less IEEE802.15.4 CSMA-CA de la que se deriva la distribución del retardo entre un par de nodos en una red de sensores inalámbricos bajo desvanecimiento Rayleigh lento. La función de masa de probabilidad del retardo de acknowledged transmissions se separa en la ocurrencia de tres eventos: Frame Transfer Success, Channel Access Failure y Frame Transfer Failure, donde frame transfer se conoce comúnmente como una transmisión entre dos nodos. Encontramos que estos eventos se pueden modelar como distribuciones bivariadas que quedan completamente definidas por los parámetros de las capas PHY y MAC del transmisor junto con estadísticas a nivel de canal como la probabilidad de canal ocupado y la probabilidad de pérdida de frames, ambas siendo propiedades locales y observables por transmisor. Validamos nuestros resultados con simulaciones Monte-Carlo y mostramos que nuestro modelo para los eventos Frame Transfer Success y Frame Transfer Failure es preciso, mientras que en el caso de Channel Access Failure, el modelo se puede usar como una cota superior para su valor esperado.
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    Diseño de protocolos para redes inalámbricas de sensores sobre latinos : metodología y ejemplos
    (2013) Barros Arteaga, Santiago; Oberli Graf, Christian Robert; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Una red inalámbrica de sensores (RIS) es un conjunto de dispositivos electrónicos, llamados nodos inalámbricos, que tienen como objetivo observar algún fenómeno distribuido en el espacio y variante en el tiempo. Para lograr entregar al usuario la información observada, es necesario que los nodos que forman parte de la red cuenten con un protocolo de comunicaciones que coordine la transmisión de datos entre nodos y la canalización de estos hacia un nodo acumulador. Los protocolos de comunicaciones sufren de una constante evolución y diversificación debido a permanentes avances tecnológicos y diversidad de usos de las RIS. La necesidad de modificar o crear nuevos protocolos, ha sido abordada mediante la utilización los sistemas operativos para RIS, que facilitan al usuario la integración de dichos protocolos al resto del sistema.
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    Diseño e implementación de un módem digital para redes inalámbricas de sensores MIMO compatible
    (2014) Villers-Grandchamps Zaldívar, Jean Paul Idesbald de; Oberli Graf, Christian Robert; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Las redes inalámbricas de sensores (RIS) pueden utilizarse en diversas aplicaciones, como lo son el monitoreo de variables climatológicas para la industria forestal, el monitoreo hidroclimatológico para alerta temprana de aluviones, entre otras. El mercado de las RIS es uno de los que se pronostican con mayor crecimiento en el mundo en la presente década. Sin embargo, las RIS disponibles hoy en día no permiten cubrir grandes extensiones geográficas, con gran distancia entre nodos, por lo que aún existe un vacío tecnológico. A fin de solucionar el problema de establecer comunicaciones eficientes, de largo alcance y baja tasa de datos, es que diversos autores han propuesto usar la tecnología de múltiples antenas (conocida como MIMO por sus siglas en inglés). Sin embargo, para desarrollar esta tecnología es necesario contar con una plataforma experimental para RIS con tecnología MIMO, lo que no existe en la actualidad. El trabajo de esta tesis se centra en diseñar e implementar una plataforma experimental en FPGA que permita desarrollar nuevas tecnologías para RIS usando múltiples antenas, la cual se presenta en el presente documento. Este desarrollo implica el diseño de filtros digitales, subida y bajada a frecuencia intermedia, entre otros. Además, incluye la implementación del diseño en una FPGA. Un conjunto de simulaciones computacionales, junto a una prueba experimental, permitieron verificar el correcto funcionamiento del módem diseñado, el cual funcionó de la forma esperada.
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    Diseño e implementación en FPGA de un módem de banda base para redes inalámbricas de sensores.
    (2012) Pérez Díaz, Héctor; Oberli Graf, Christian Robert; Guarini Hermann, Marcelo Walter; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Diversos avances tecnológicos han permitido el desarrollo de dispositivos microelectrónicos altamente eficientes y de muy bajo costo. En los últimos años, esta tecnología ha sido utilizada para desarrollar pequeños microcontroladores, transceptores de radio y sensores para medir variables físicas, cada uno de ellos en un solo circuito integrado. La combinación de estos componentes en un nodo ha establecido un área de desarrollo en comunicaciones que emerge rápidamente, conocida como redes inalámbricas de sensores. Las aplicaciones de redes de sensores requieren que los nodos operen aisladamente y para extender su vida útil es importante minimizar el consumo energético de las comunicaciones entre nodos. La incorporación de tecnología de múltiples antenas en transmisión y recepción permitiría disminuir el consumo energético de un enlace manteniendo su desempeño, solución que hasta ahora no ha sido explorada.
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    Downlink performance limitations of cellular systems with coordinated base stations and mismatched precoder
    (2012) Herrera Pereira, Lurys Guadalupe; Oberli Graf, Christian Robert; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La reducción de la interferencia entre celdas de un sistema celular es una de las directrices principales a considerar en el diseño de sistema celulares de próxima generación (4G), a fin de maximizar la eficiencia espectral del sistema. La coordinación de estaciones base es una técnica propuesta recientemente bajo esta directriz de diseño. Usando esta técnica, las estaciones bases funcionan como un único arreglo de antenas que transmite conjuntamente señales precodificadas a los usuarios, permitiendo que cada usuario reciba solamente la señal que se le ha destinado.
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    Energy Efficient wireless communications
    (2012) Rosas de Andraca, Fernando Ernesto; Oberli Graf, Christian Robert; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    En los últimos años, la reducción de la energía necesaria para transferir información entre transmisor a receptor se ha constituido en un objetivo importante para las técnicas de comunicación inalámbricas. La búsqueda de nuevos métodos para aumentar la eficiencia energética de las comunicaciones inalámbricas se ha transformado en un activo campo de investigación. Algunos investigadores han sugerido que el uso de sistemas de múltiples antenas podría generar nuevas reducciones en el consumo energético de las comunicaciones inalámbricas. A pesar de un reciente interés en este tema, ningún análisis completo ha sido reportado sobre como el tamaño del arreglo de antenas, el tamaño de la modulación y la potencia irradiada han de elegirse para lograr comunicaciones energéticamente eficientes sobre canales con desvanecimiento.
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    Energy-efficient estimation of a MIMO channel
    (2012) Muñoz Escobar, Camila.; Oberli Graf, Christian Robert
    Abstract Exploiting the benefits of multiple antenna technologies is strongly conditioned on knowledge of the wireless channel that affects the transmissions. To this end, various channel estimation algorithms have been proposed in the literature for multiple-input multiple-output (MIMO) channels. These algorithms are typically studied from a perspective that does not consider constraints on the energy consumption of their implementation. This article proposes a methodology for evaluating the total energy consumption required for transmitting, receiving, and processing a preamble signal in order to produce a channel estimate in multiple antenna systems. The methodology is used for finding the training signals that minimize the energy consumption for attaining given mean square estimation error. We show that the energy required for processing the preamble signal by executing the estimation algorithms dominates the total energy consumed by the channel estimation process. Therefore, algorithm simplicity is a key factor for achieving energy-efficient channel acquisition. We use our method for analyzing the widely used least squares and minimum mean square error (MSE) estimation algorithms and find that both have a similar energy consumption when the same MSE estimation is targeted.Abstract Exploiting the benefits of multiple antenna technologies is strongly conditioned on knowledge of the wireless channel that affects the transmissions. To this end, various channel estimation algorithms have been proposed in the literature for multiple-input multiple-output (MIMO) channels. These algorithms are typically studied from a perspective that does not consider constraints on the energy consumption of their implementation. This article proposes a methodology for evaluating the total energy consumption required for transmitting, receiving, and processing a preamble signal in order to produce a channel estimate in multiple antenna systems. The methodology is used for finding the training signals that minimize the energy consumption for attaining given mean square estimation error. We show that the energy required for processing the preamble signal by executing the estimation algorithms dominates the total energy consumed by the channel estimation process. Therefore, algorithm simplicity is a key factor for achieving energy-efficient channel acquisition. We use our method for analyzing the widely used least squares and minimum mean square error (MSE) estimation algorithms and find that both have a similar energy consumption when the same MSE estimation is targeted.Abstract Exploiting the benefits of multiple antenna technologies is strongly conditioned on knowledge of the wireless channel that affects the transmissions. To this end, various channel estimation algorithms have been proposed in the literature for multiple-input multiple-output (MIMO) channels. These algorithms are typically studied from a perspective that does not consider constraints on the energy consumption of their implementation. This article proposes a methodology for evaluating the total energy consumption required for transmitting, receiving, and processing a preamble signal in order to produce a channel estimate in multiple antenna systems. The methodology is used for finding the training signals that minimize the energy consumption for attaining given mean square estimation error. We show that the energy required for processing the preamble signal by executing the estimation algorithms dominates the total energy consumed by the channel estimation process. Therefore, algorithm simplicity is a key factor for achieving energy-efficient channel acquisition. We use our method for analyzing the widely used least squares and minimum mean square error (MSE) estimation algorithms and find that both have a similar energy consumption when the same MSE estimation is targeted.Abstract Exploiting the benefits of multiple antenna technologies is strongly conditioned on knowledge of the wireless channel that affects the transmissions. To this end, various channel estimation algorithms have been proposed in the literature for multiple-input multiple-output (MIMO) channels. These algorithms are typically studied from a perspective that does not consider constraints on the energy consumption of their implementation. This article proposes a methodology for evaluating the total energy consumption required for transmitting, receiving, and processing a preamble signal in order to produce a channel estimate in multiple antenna systems. The methodology is used for finding the training signals that minimize the energy consumption for attaining given mean square estimation error. We show that the energy required for processing the preamble signal by executing the estimation algorithms dominates the total energy consumed by the channel estimation process. Therefore, algorithm simplicity is a key factor for achieving energy-efficient channel acquisition. We use our method for analyzing the widely used least squares and minimum mean square error (MSE) estimation algorithms and find that both have a similar energy consumption when the same MSE estimation is targeted.
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    Energy-efficient MIMO SVD communications
    (IEEE, 2012) Rosas de Andraca, Fernando Ernesto; Oberli Graf, Christian Robert
    Multiple-input multiple-output (MIMO) techniques can be used for reducing the energy consumption of wireless communications. Although some research has been reported on this topic, the rules by which the MIMO physical layer parameters should be chosen in order to achieve energy efficiency have not yet been formally established. In this paper, we analyze the case of MIMO singular value decomposition (SVD) technique. We present a model for the mean energy consumption of a MIMO SVD system per data bit transferred without error. We find that, for a given number of eigenchannels used with equal power allocation, exists a single optimal radiation power level at which the mean energy consumption is minimized. We also find that beamforming (only the best eigenchannel is used) is optimal in the energy consumption sense for long transmission distances, while the optimal number of eigenchannels to be used grows as transmission distance shortens. Using all the eigenchannels is optimal only for very short transmission distances.
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    Framework for self-organizing resilient ad-hoc networks using hierarchical routing
    (2024) Ladrix Aguilera, Tomás Andrés; Oberli Graf, Christian Robert; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La resiliencia ha sido objeto de estudio en varios campos de estudio. En lo que respecta a redes e infraestructura de telecomunicaciones, no hay consenso sobre cómo definir, medir e implementar sistemas resilientes. Generalmente se analiza como una propiedad que se encuentra a nivel de Capa de Red, proponiendo soluciones y protocolos resilientes asumiendo que las capas inferiores son capaces de proporcionar una comunicación confiable. Se considera a menudo que los nodos de una red tienen un alcance fijo para comunicarse confiablemente con sus vecinos, siendo inalcanzables fuera de éste. Sin embargo, en la práctica, fenómenos como el desvanecimiento de canal contradicen esta idea. En este trabajo, se elaboran conceptos y se propone un marco para entender y evaluar la resiliencia en el contexto de redes inalámbricas ad-hoc. Esta propuesta involucra elementos tanto en la Capa de Red (NET) como en la Capa de Enlace (DLL), con la consideración clave de tener en cuenta la existencia de canales no confiables entre nodos. El objetivo es otorgar a la red la capacidad de auto-organización y adaptación, como una forma de proporcionar comportamiento resiliente a través de un sistema organizacional que sea capaz de adaptarse a las disrupciones que ocurren en la red. Se implementan tres componentes que consisten en un Protocolo de Enrutamiento Jerárquico (HRP), encargado de mantener y estructurar el sistema organizacional, un Protocolo de Recuperación de Rutas (RRP) que actúa como un mecanismo de recuperación en caso de fallas de nodos, y un Estimador de Confiabilidad de Vecinos (NRE) que sirve para informar sobre la confiabilidad de los vecinos de cada nodo. En conjunto permiten la operación descentralizada, autónoma y auto-configurable de los nodos. Además, permiten una operación cohesionada de la red, constituyendo la contribución de este trabajo.
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    Impact of interference correlation on the decoding error statistics
    (IEEE, 2017) Rosas, Fernando; Manolakis, Konstantinos; Oberli Graf, Christian Robert; Azari, Mohammad Mahli; Verhelst, Marian; Pollin, Sofie
    Scenarios where interference is correlated with useful signals are often met in communications systems. Interestingly, even though uncorrelated interference mitigation has been extensively studied by the literature, there is still lack of insight into how correlation can affects information transfer processes. In this paper we formally address this issue and show how a positive correlation between the interference and useful signal power introduces a non-intuitive increase in the diversity gain, improving the error statistics with respect to the uncorrelated case. In contrast, the diversity gain decreases under negative correlation, degrading the system performance. These findings are confirmed by simulations for scenarios of practical relevance.
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    Intercarrier Interference in OFDM: A deterministic model for transmissions in mobile environments with imperfect synchronization
    (IEEE, 2008) Oberli Graf, Christian Robert; García Acuña, Martín Ignacio
    Intercarrier Interference (ICI) is an impairment well known to degrade performance of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) transmissions. It arises from carrier frequency offsets (CFO), from the Doppler spread due to channel time-variation, and, to a lesser extent, from sampling frequency offsets (SFO). The literature reports several models of ICI due to each kind of impairment. Some studies describe ICI due to two of the three impairments, but so far no general model exists to describe the joint effect of all three impairments together. Furthermore, most available models involve some level of approximation, and the diversity of approaches makes it cumbersome to compare power levels of the different kinds of ICI. In this work, we present the derivation of a general and mathematically exact model for the ICI stemming from the joint effect of the three impairments mentioned.