De Bruijn sequences in spread spectrum systems: problems and performance in vehicular applications

This thesis deals with the analysis about a possible utilization of a particular set of sequences, the so-called de Bruijn sequences, in a Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) vehicular radar system. Compared with other spreading codes adopted in DSSS systems, the greater the span of the set is, the more the number of de Bruijn sequences exponentially increases and theoretically permits to assign each radar a different generated sequence, as a specific key. By this way it is possible to develop a self-consistent radar system, which is able to work without any infrastructure required to assign sequences, as it happens in the case conventional spreading codes, like Gold codes or Kasami codes, are adopted. Due to their both favourable auto- and cross-correlation properties they are particularly indicated for automotive systems in which there are the needs of detecting accurately a target and performing in a multi-user radar environment. Considering their good correlation properties and their huge number, de Bruijn sequences could be used not only in vehicular radar systems but also in other Spread Spectrum and so, they are evaluated in various scenarios like downlink and uplink channel of DS-CDMA systems. In fact, in standard version de Bruijn sequences, if accurately selected, have the property of orthogonality and so they are tested in a downlink channel of a DS-CDMA system. In addition, from de Bruijn sequences another particular set of sequences, the so-called modified de Bruijn sequences, can be derived. These sequences show better performance in terms of cross-correlation properties and could be used in uplink channel of DS-CDMA system. In order to verify the performance in a real test-bed, a preliminary implementation on Software Defined Radios is also developed. Finally they are adopted and compared in simulated multiuser DSSS radar scenarios. The analysis done and the performance results obtained suggest to evolve this radar solution to a cognitive radar approach using computer vision systems as external aid sensor which can outperform actual solutions.

Questa tesi affronta l’analisi circa il possibile utilizzo di un particolare set di sequenze, le cosiddette sequenze de Bruijn, in un sistema radar veicolare di tipo Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Rispetto ad altri codici di espansione adottati nei sistemi DSSS, maggiore è la lunghezza delle sequenze del set, più la numerosità delle sequenze di de Bruijn aumenta in modo esponenziale e permette teoricamente di assegnare ad ogni radar una diversa sequenza generata, che funge da specifica chiave personale. In questo modo è possibile sviluppare un sistema radar autoconsistente in grado di lavorare senza alcuna infrastruttura necessaria all’assegnazione delle sequenze, come accade per i convenzionali codici di espansione tipo i codici Gold o i codici di Kasami. Grazie alle loro favorevoli proprietà di auto- e cross-correlazione, sono particolarmente indicati per sistemi automotive dove è molto importante rilevare con precisione un bersaglio in un contesto di radar multi-utente. Considerando le loro buone proprietà di correlazione e la loro elevata numerosità, le sequenze di de Bruijn possono essere utilizzate non solo nei sistemi radar veicolari ma anche in altri scenari di tipo Spread Spectrum, come il canale di downlink e uplink di sistemi DS-CDMA. Infatti, le sequenze di de Bruijn, nella versione standard, se selezionate accuratamente hanno proprietà di ortogonalità e quindi particolarmente vantaggioso è il loro utilizzo nel canale di downlink di un sistema DS-CDMA. Inoltre, dal set di sequenze di de Bruijn è possibile derivare un altro particolare insieme di sequenze, le cosiddette sequenze di de Bruijn modificate. Queste sequenze mostrano prestazioni migliori in termini di cross-correlazione e potrebbero essere utilizzate nel canale uplink di un sistema DS-CDMA. Al fine di verificare le prestazioni in un vero e proprio banco di prova, è stata sviluppata anche una preliminare implementazione di un radar DSSS su Software Defined Radio. Infine è stato sviluppato un simulatore per sistemi radar veicolari DSSS su scenari multi-utente. L’analisi effettuata ed i risultati sulle prestazioni ottenuti suggeriscono di evolvere questa soluzione verso le recenti tecniche di radar cognitivo tramite l’ausiliodi tecniche di visione computazionale.