Μελέτη χωρητικότητας ραδιοδιαύλου με συστήματα στοιχειοκεραιών πολλαπλών εισόδων - εξόδων (ΜΙΜΟ)

Abstract

Wireless communications and data transceiver systems correspond to one of the fastest growing scientific sectors, providing a great amount of applications and services. New demands for better quality of services, higher bit rates and more spectral efficiency compose the main target for the modern wireless communication research activities. Based on them, scientific community has started a course of activities in order to design and investigate new techniques, methods and mathematical algorithms. In particular, on wireless communication systems one of the most attractive and efficient method, that has been introduced and studied, proposes using multiple antenna elements on both the receiver and transmitter locations. This technique corresponds to the main subject of the current PhD thesis. This article includes studies on capacity in wireless communications, using antenna array systems with multiple radiation elements on both transmitter and receiver ends (MIMO - Multiple Input Multiple Output). The main performance of these systems that enhance the maximum value of the bit rate in wireless communication applications, are further studied, analyzed and depicted, appropriately. This course of research activities carries out with a Multiple Input Multiple Output platform, providing an interesting amount of observations and remarks that is expected to meet the demands of the wireless communication systems that are mentioned, above. The current PhD thesis is constituted by six main chapters. Fundamental principles and performance aspects of MIMO systems and wireless channel propagation environment are the subjects of the first chapter. In particular, it introduces the basic theory and analysis that corresponds to the wireless channel characterization course. Besides, the main principles of electromagnetic waves propagation and some of the fundamental mathematical channel models are further presented and discussed. MIMO platform implementation necessitates the design and construction course of an antenna array on both the transmitter and receiver end. The main procedure that was realized in order to implement this antenna structure corresponds to the subject of the second chapter. In particular, it is introduced the form of the transmitter and receiver antenna arrays, the geometry of the antenna elements and the basic performance characteristics. These geometry aspects, resonance and radiation characteristics of the antenna structures are further studied, analyzed and discussed, in order to investigate their performance and the impact on them, due to the reflector and the antenna positioning system. In the third chapter, the multiple-output transmitter implementation is proposed, based on design modifications and experimental performance investigations. The electronic parts and their performance characteristics are further presented and analyzed. In addition, this chapter introduces effective features of the proposed architecture that are exploited in the MIMO system applications, including multiple-output transmitter initialization aspects. The multi-channel receiver device of the MIMO platform system is the main subject of the forth chapter. This section presents the structure of the proposed multiple-input receiver implementation, including electronic part specifications and performance features. In addition, it introduces analytically the receiver initialization methods and techniques that are used in MIMO wireless platform system applications. The fifth chapter presents and depicts the basic methodology, analysis, observations and the conclusions that are provided by the course of experimental measurements on wireless channel propagation environment. Based on particular methods and techniques, a course of experimental examinations and measurements were accomplished in order to investigate the performance of the wireless channel. On this way, it was studied and investigated the capacity of the channel, the bit rate variations and other parameters that corresponds to each of the sub-channels in the MIMO wireless channel. The impact of the propagation environment on these parameters are further analyzed and discussed, as well as the maximum permissible bit rate was specified in each case. These approximations are compared with that provided by the theoretical aspects and the corresponding mathematical models. Besides, it is proposed a number of techniques and modifications in order to improve the efficiency of the wireless communication systems. A conclusion of this article includes a brief report on the principles that are introduced by the design and construction of the MIMO wireless platform system. Besides, this last chapter presents a future course of work that is going to develop the proposed MIMO system, providing channel characterization and investigation via experimental measurements, efficiently.

Ο τομέας των τηλεπικοινωνιών και των συστημάτων μετάδοσης πληροφορίας αποτελεί έναν ραγδαία αναπτυσσόμενο κλάδο της επιστήμης με τεράστιο αριθμό εφαρμογών και παρεχόμενων υπηρεσιών. Νέες απαιτήσεις για βελτίωση της ποιότητας των υπηρεσιών αυτών, της ταχύτητας ανταλλαγής των δεδομένων, αλλά και του τρόπου διαχείρισης του εύρους ζώνης συχνοτήτων συνθέτουν τις βασικές κατευθύνσεις της ερευνητικής δραστηριότητας στον τομέα των σύγχρονων επικοινωνιών. Με βάση αυτές, η επιστημονική κοινότητα έχει ξεκινήσει μία αξιόλογη δραστηριότητα ανάπτυξης τεχνικών, μεθόδων και αλγορίθμων. Ιδιαίτερα, στην περίπτωση συστημάτων ασύρματης ζεύξης, μία από τις πιο ελκυστικές και αποτελεσματικές τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί και μελετηθεί, αναφέρεται στη χρήση πολλαπλών στοιχείων - κεραιών τόσο στην εκπομπή, όσο και στη λήψη. Η τεχνολογία αυτή συνθέτει και το βασικό άξονα της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Συγκεκριμένα, αντικείμενο της αποτελεί η μελέτη της χωρητικότητας του ραδιοδιαύλου με χρήση συστημάτων πολλαπλών εισόδων - πολλαπλών εξόδων (ΜΙΜΟ). Σε αυτή, περιγράφονται, αναλύονται και ερευνώνται οι βασικοί παράμετροι και τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά λειτουργίας που επηρεάζουν το μέγιστο όριο του ρυθμού μετάδοσης της πληροφορίας σε ένα ασύρματο κανάλι με τη βοήθεια των συστημάτων αυτών. Αυτές οι διαδικασίες πραγματοποιούνται με τη χρήση μιας πλατφόρμας συστήματος ΜΙΜΟ και οδηγούν στην έκδοση διαπιστώσεων, συμπερασμάτων και προτύπων τα οποία αναμένεται να συνεισφέρουν αποφασιστικά στην εξυπηρέτηση των απαιτήσεων που προαναφέρθηκαν στο τομέα των σύγχρονων επικοινωνιών. Η εν λόγω διδακτορική διατριβή απαρτίζεται από έξι βασικές ενότητες. Οι θεμελιώδεις αρχές λειτουργίας και τα χαρακτηριστικά των συστημάτων ΜΙΜΟ και του ασύρματου καναλιού διάδοσης συνθέτουν το αντικείμενο της πρώτης ενότητας. Αυτή περιλαμβάνει επίσης το σύνολο των θεωρητικών προσεγγίσεων και αναλύσεων με αντικείμενο το χαρακτηρισμό του ασύρματου διαύλου. Παράλληλα, αναφέρονται επιγραμματικά οι θεμελιώδεις αρχές που διέπουν τη διάδοση ηλεκτρομαγνητικών σημάτων μέσα από το ασύρματο κανάλι και δίδονται κάποια από τα βασικότερα μοντέλα περιγραφής του. Η ανάπτυξη ενός συστήματος ΜΙΜΟ προϋποθέτει το σχεδιασμό και την υλοποίηση μιας διάταξης στοιχείων - κεραιών εκπομπής και λήψης. Αυτή η σειρά διαδικασιών και βημάτων συνθέτει τον κύριο άξονα της δεύτερης ενότητας. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεται η μορφή των δύο κεραιοσυστοιχιών κεραιών εκπομπής και λήψης, τα αντίστοιχα στοιχεία - ακτινοβολίας καθώς και τα χαρακτηριστικά και οι παράμετροι που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Συγκεκριμένα, μελετάται και αναλύεται η γεωμετρία των στοιχείων - κεραιών και τα χαρακτηριστικά συντονισμού και ακτινοβολίας τους, καθώς και οι μεταβολές που προκαλούνται σε αυτά από τις επιδράσεις των υποβοηθητικών διατάξεων που τα πλαισιώνουν. Στη τρίτη ενότητα παρουσιάζεται η μορφή της διάταξης του πομπού πολλαπλών εξόδων, έτσι όπως αυτή προέκυψε από μια σειρά σχεδιαστικών τροποποιήσεων και πειραματικών δοκιμών. Αναλύονται εν συντομία τα ηλεκτρονικά στοιχεία που την απαρτίζουν και παρατίθενται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των. Δίνεται επίσης ιδιαίτερη βαρύτητα στη περιγραφή των δυνατοτήτων της οι οποίες αξιοποιούνται πλήρως στη χρήση της ως διάταξη εκπομπής στο σύστημα ΜΙΜΟ. Η αντίστοιχη διάταξη λήψης της πλατφόρμας συστήματος ΜΙΜΟ αποτελεί αντικείμενο της τέταρτης ενότητας. Εδώ παρουσιάζεται η δομή των βαθμίδων που την απαρτίζουν, περιγράφονται τα βασικά ηλεκτρονικά στοιχεία της και τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους. Επιπρόσθετα, παρατίθενται και αναλύονται εκτενώς οι δυνατότητες της και οι τεχνικές που αξιοποιούνται κατά την λειτουργία της ως διάταξη λήψης στη πλατφόρμα ΜΙΜΟ. Η πέμπτη ενότητα της παρούσας διδακτορικής διατριβής παραθέτει και περιγράφει τη μεθοδολογία, τις αναλύσεις, τις διαπιστώσεις και τα συμπεράσματα που προέκυψαν κατά τη διαδικασία πειραματικών δοκιμών και μετρήσεων των χαρακτηριστικών και των παραμέτρων του ασύρματου διαύλου. Με την αξιοποίηση των δυνατοτήτων και μεθόδων που χρησιμοποιούνται από το σύστημα ΜΙΜΟ, πραγματοποιήθηκε μια σειρά διαδικασιών χαρακτηρισμού ασύρματου καναλιού διάδοσης. Στα πλαίσια αυτής μελετήθηκαν τα μεγέθη της χωρητικότητας, του ρυθμού μετάδοσης των δεδομένων και γενικότερα των παραμέτρων του κάθε υποκαναλιού στο ασύρματο κανάλι πολλαπλών εισόδων - εξόδων ΜΙΜΟ. Δόθηκε ιδιαίτερη βαρύτητα στην επίδραση των συνθηκών κάθε περιβάλλοντος διάδοσης στη μεταβολή των παραπάνω μεγεθών, με ιδιαίτερη έμφαση στο μέγιστο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων που μπορεί να επιτευχθεί σε κάθε περίπτωση. Οι προσεγγίσεις που προκύπτουν συγκρίνονται με τις αντίστοιχες θεωρητικές καθώς και με αυτές των αντίστοιχων μοντέλων ραδιοκάλυψης. Επιπρόσθετα, προτείνονται τεχνικές βελτιστοποίησης και δίνονται κατευθύνσεις προς την όσο το δυνατόν αποδοτικότερη σχεδίαση των συστημάτων ασύρματης ζεύξης. Ως επίλογος της διδακτορικής αυτής διατριβής παρατίθενται μία σύντομη αναφορά στις γενικές αρχές που αξιοποιήθηκαν στη σχεδίαση και υλοποίηση της πλατφόρμας του συστήματος ΜΙΜΟ και δίνεται μια σειρά μελλοντικών βημάτων που δύναται να βελτιώσουν τη λειτουργία της και να την καταστήσουν πιο αποδοτική και ευέλικτη σε μοντέρνες τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές.