Τεχνικές πολλαπλών κεραιών (MIMO) και συνεργατικής διαφορικότητας σε ασύρματες επικοινωνίες

Abstract

This Thesis addresses diversity techniques for wireless communications and specifically receive and transmit diversity, multiple-input multiple-output (ΜΙΜΟ) techniques and cooperative diversity techniques. The Thesis focuses on the study of the performance of diversity techniques on correlated lognormal fading channels as well as on free-space propagation. In addition, techniques for achieving low complexity MIMO receiver designs are proposed. In chapter 1, several performance metrics are studied for the case of correlated lognormal fading channels. More specifically, novel mathematical expressions are proposed for the outage probability and the probability distribution function of the output Signal-to-Noise Ratio of a diversity receiver, the moment-generating function and the mean value of the logarithm of the sum of two correlated lognormal random variables, and the ergodic capacity and the average bit error probability of dual-branch diversity receivers under correlated lognormal fading. Finally, it is proposed that correlation can be viewed as an increase in the lognormal standard deviations of an equivalent uncorrelated dual-branch receive diversity system. In chapter 2, a cooperative diversity system with a relay is studied. Analytical formulas for the total outage probability under correlated lognormal fading are proposed. In addition, the efficiency of cooperation is studied in-depth and compared to noncooperation, taking into account the effect of the multiple-access protocol of the participating nodes and the total transmission energy consumed by the cooperative system. In chapter 3, the performance of multiple-antenna techniques in pure Line-of-Sight environments, characterized by the absence of multipath, is analyzed. The provided analysis considers directive antenna elements with random orientation. Finally, the applicability of ΜΙΜΟ techniques to millimeter-wave propagation is studied for varying link distances and antenna element separation. Chapter 4 addresses the problem of designing the processing pipeline of typical MIMO-OFDM receivers, taking into account both the processing rate and the arrival rate of the data to be processed. Furthermore, MIMO pre-processing algorithms are proposed that take into account the structure of the packet frames, resulting in optimizations of the overall complexity of the receiver.

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής είναι οι τεχνικές διαφορικότητας στις ασύρματες επικοινωνίες και πιο συγκεκριμένα οι τεχνικές διαφορικής λήψης και εκπομπής, οι τεχνικές πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων (ΜΙΜΟ) και οι τεχνικές συνεργατικής διαφορικότητας. Στην παρούσα Διατριβή καλύπτονται θέματα και τεχνικές που αφορούν την επίδοση των συστημάτων διαφορικότητας στην διάδοση με συσχετισμένα λογαριθμοκανονικά κανάλια καθώς και στην διάδοση ελευθέρου χώρου. Επίσης προτείνονται τεχνικές βελτιστοποίησης της πολυπλοκότητας δεκτών σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα πολλαπλών κεραιών. Στο κεφάλαιο 1 της Διατριβής παρουσιάζονται νέες μαθηματικές εκφράσεις σημαντικών παραμέτρων που χαρακτηρίζουν την επίδοση τεχνικών διαφορικής λήψης σε κανάλια με συσχετισμένες λογαριθμοκανονικές διαλείψεις. Πιο συγκεκριμένα, προτείνονται μαθηματικές εκφράσεις της πιθανότητας αποκοπής και της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας του τελικού σηματοθορυβικού λόγου της διαφορικής λήψης, της ροπογεννήτριας συνάρτησης και της μέσης τιμής του λογαρίθμου του αθροίσματος δύο συσχετισμένων λογαριθμοκανονικών μεταβλητών, και της εργοδικής χωρητικότητας και της μέσης πιθανότητας σφάλματος ψηφίου ενός δέκτη με δύο κλάδους διαφορικότητας με συσχετισμένες λογαριθμοκανονικές διαλείψεις. Τέλος προτείνεται μια ερμηνεία της συσχέτισης ως αύξηση στις λογαριθμοκανονικές μεταβλητότητες ενός ισοδύναμου συστήματος με δύο ασυσχέτιστους κλάδους διαφορικότητας. Στο κεφάλαιο 2 της Διατριβής εξετάζεται η περίπτωση ενός συστήματος συνεργατικής διαφορικότητας με επαναλήπτη. Προτείνονται αναλυτικοί τύποι οι οποίοι περιγράφουν την ολική πιθανότητα αποκοπής ενός συνεργατικού συστήματος σε κανάλια με συσχετισμένες λογαριθμοκανονικές διαλείψεις. Επίσης περιγράφεται αναλυτικά η αποδοτικότητα της συνεργασίας, σε σύγκριση με συστήματα μη συνεργασίας, μέσω της μελέτης της επίπτωσης του τρόπου πολλαπλής πρόσβασης των συνεργαζόμενών κόμβων στο μέσο αλλά και μέσω της μελέτης της συνολικής χρησιμοποιούμενης ενέργειας εκπομπής από το συνεργατικό σύστημα. Στο κεφάλαιο 3 της Διατριβής αναλύεται η επίδοση των τεχνικών πολλαπλών κεραιών σε περιβάλλοντα απόλυτης οπτικής ζεύξης, όπου δεν εμφανίζονται φαινόμενα όπως η πολλαπλή σκέδαση. Η παρεχόμενη ανάλυση αφορά στοιχειοκεραίες με τυχαίο προσανατολισμό και κατευθυντικά στοιχεία. Τέλος διερευνάται η καταλληλότητα των τεχνικών ΜΙΜΟ κατά τη διάδοση στις χιλιοστομετρικές συχνότητες συναρτήσει της απόστασης της ζεύξης καθώς και της απόστασης μεταξύ των στοιχείων κάθε κεραίας. Στο κεφάλαιο 4 της Διατριβής παρουσιάζεται το πρόβλημα του σχεδιασμού της αλυσίδας επεξεργασίας τυπικών δεκτών MIMO-OFDM λαμβάνοντας υπόψη το ρυθμό επεξεργασίας και το ρυθμό της άφιξης των προς-επεξεργασία δεδομένων. Στη συνέχεια, λαμβάνοντας υπόψη τη δομή των πακέτων επικοινωνίας, προτείνονται συγκεκριμένοι αλγόριθμοι προ-επεξεργασίας ΜΙΜΟ οι οποίοι παρέχουν βελτιστοποιήσεις στη συνολική πολυπλοκότητα του δέκτη.