Τεχνικές μετάδοσης με χρήση παρασιτικών κεραιών σε ασύρματα συστήματα πολλαπλών εισόδων - πολλαπλών εξόδων

Abstract

The dissertation deals with the problem of large dimensions and hardware im-plementation complexity of multiple input – multiple output (MIMO) systems. De-spite the significant benefits of MIMO technology, often these drawbacks hinder its wide deployment to modern communication systems. To overcome these problems a lot of techniques have been proposed that focus on the design of compact antenna arrays with reduced dimensions and on some algorithms based on signal processing principles that allow for the reduction of the effective number of RF chains. In contrast to these well-known techniques, the research activity in this disserta-tion focuses on the study and performance evaluation of a novel MIMO architec-ture that instead of conventional arrays utilizes ESPAR antennas with just a single active and several parasitic antenna elements. This kind of antennas allows for the drastic reduction of the antenna dimensions and the implementation complexity, since it requires only a single RF chain and strong coupling between adjacent an-tenna elements to produce the desired radiation patterns. The hardware restrictions of ESPAR antennas however, prohibit their direct ap-plication to conventional MIMO transceivers because the spatial dispersion of the transmit signals and the spatial sampling of the impinging signals at the receiver is not possible. Instead, MIMO systems with a single RF chain have to be studied at the beamspace domain (BS) of ESPAR antennas. Consequently, a method to study ESPAR antennas at the BS domain is proposed, which among others, allows for the estimation of their effective aerial degrees of freedom as a function of the geometrical characteristics of such antennas. Next, the MIMO architecture with a single RF chain (hereafter is referred to as BS-MIMO) is studied in detail. To emphasize on the strong and weak aspects of BS-MIMO systems, they are compared extensively against conventional MIMO in terms of performance. Moreover, the benefits of ESPAR antennas have been also considered to the average throughput of multiuser systems and particularly to the adaptive beamforming that maximizes the signal to noise ratio, or/and cancels out possible interfering signals. Finally, the dissertation ends with a summary of the research results, followed by guidelines and proposals on further research activities.

Η διδακτορική διατριβή αντιμετωπίζει το πρόβλημα του αυξημένου μεγέθους και της πολυπλοκότητας του υλικού (hardware) των συστημάτων επικoινωνιών πολλαπλών εισόδων – πολλαπλών εξόδων (multiple input – multiple output, MIMO). Παρά τα σημαντικά οφέλη της τεχνολογίας ΜΙΜΟ στην επίδοση, οι παράγοντες αυτοί συχνά καθιστούν αδύνατη την πρακτική εφαρμογή της σε σύγχρονα συστήματα επικοινωνιών. Τα μειονεκτήματα αυτά αντιμετωπίζονται κυρίως με τεχνικές σχεδίασης συμπαγών (compact) στοιχειοκεραιών για τη μείωση των διαστάσεων της κεραίας και με αλγορίθμους βασισμένους σε τεχνικές επεξεργασίας σήματος για τη μείωση του πλήθους των ενεργών αλυσίδων RF. Σε αντίθεση με αυτές τις τεχνικές, η ερευνητική δραστηριότητα που συνοψίζεται στη διατριβή εστιάζει στη μελέτη και αξιολόγηση μίας πρωτότυπης αρχιτεκτονικής ΜΙΜΟ, που αντί συμβατικών στοιχειοκεραιών χρησιμοποιεί κεραίες ESPAR με ένα και μόνο ενεργό κεραιοστοιχείο και πλήθος παρασιτικών. Ο συγκεκριμένος τύπος κεραίας επιτρέπει ταυτόχρονα τόσο τη σημαντική μείωση των διαστάσεων όσο και της πολυπλοκότητας του υλικού, αφού απαιτεί μία μόνο αλυσίδα RF και εκμεταλλεύεται την ισχυρή σύζευξη μεταξύ όλων των κεραιοστοιχείων για την επίτευξη των επιθυμητών διαγραμμάτων ακτινοβολίας. Οι περιορισμοί υλοποίησης των κεραιών ESPAR ωστόσο απαγορεύουν την αξιοποίησή τους σε συμβατικούς πομποδέκτες ΜΙΜΟ, καθώς η απαίτηση για ένα και μόνο ενεργό κεραιοστοιχείο καθιστά αδύνατη τη χωρική διασπορά των σημάτων εκπομπής και τη χωρική δειγματοληψία των σημάτων λήψης. Κατά συνέπεια, η μελέτη και περιγραφή των συστημάτων ΜΙΜΟ με μία αλυσίδα RF γίνεται στο πεδίο των διαγραμμάτων ακτινοβολίας (beamspace domain, BS) των κεραιών ESPAR. Επομένως, προτείνεται μέθοδος για τη μελέτη των παρασιτικών κεραιών στο πεδίο BS και την εκτίμηση των αποτελεσματικών ακτινοβολούμενων βαθμών ελευθερίας που προσφέρουν, ως συνάρτηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών τους. Κατόπιν, μελετάται διεξοδικά η προτεινόμενη αρχιτεκτονική ΜΙΜΟ, όπου για να δοθεί έμφαση στην αρχή λειτουργίας της θα καλείται BS-MIMO, και ακολουθεί εκτεταμένη αξιολόγηση της σε σύγκριση με τα αντίστοιχα συμβατικά συστήματα. Επιπρόσθετα, μελετώνται τα οφέλη των κεραιών ESPAR στη μέση διεκπαιρεωτική ικανότητα των συστημάτων πολλαπλών χρηστών και ειδικότερα σε εφαρμογές προσαρμοστικής διαμόρφωσης διαγράμματος ακτινοβολίας για τη μεγιστοποίηση του σηματοθορυβικού λόγου ή/και την ακύρωση των παρεμβολών. Τέλος, γίνεται συνοπτική αναφορά στα ερευνητικά αποτελέσματα της διατριβής και ακολουθούν προτάσεις για μελλοντική έρευνα προς αυτή την κατεύθυνση.