Προσαρμογή παραμέτρων δέκτη στις αλλαγές ποιότητας μετάδοσης για ασύρματες επικοινωνίες ευρείας ζώνης με εφαρμογή σε συστήματα πολυπλέξης με ορθογώνιες συχνότητες

Abstract

This dissertation deals with the study of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) transmission. OFDM is a mature technology with a proven ability to offer high data transmission rates with particularly big effectiveness even in difficult transmission environments. This is also reflected by its very big infiltration in the market with its incorporation in a lot of commercial products. However the modem needs of communications ordain even bigger effectiveness in data transmission and henceforth systems and solutions that have been proposed 2 or 3 years before are considered ineffective. Main point for the achievement of increase in the effectiveness of the system constitutes the ability of adaptation of the system in the transmission conditions. The transmission conditions are mainly characterized by the wireless channel. In order to achieve the highest effectiveness the system must be able to estimate the channel characteristics and to adjust its transmission characteristics accordingly. Such an adaptive system has a significant advantage compared to a non-adaptive system which faces each case with a uniform and not optimal way. Another important problem that all communication systems face, including OFDM, is the difference in the performance of an algorithm between its software simulation and its hardware implementation. The present dissertation has three objectives. The first objective is to study the transmission channel and investigate its main characteristics. The estimation of these characteristics will constitute the coarse channel estimation. Then the system will be able to adapt itself optimally. The result of this study is to decide that the factors that coarsely describe the channel are the signal to noise ratio, the Doppler frequency, delay spread and the Ricean channel K factor. Then new algorithms were developed to estimate each one of these factors. Through the proposed algorithms the system will be able to estimate the transmission conditions and be adapted suitably. The second objective of this dissertation is to study the exact channel estimation and the way that the system performance can be enhanced through it. For this study two different approaches were selected. The first approach deals with the detailed estimation of the channel characteristics such as the number of the paths and their placement in time. Then these elements are used to get the channel estimation coefficients. The second approach deals with the channel estimation through interpolation. The study of interpolation methods led to the determination of their basic problems and the proposal of new channel estimation techniques. Firstly a novel channel estimation is proposed through the replacement of virtual subcarriers with pilots. For this method a novel mathematic analysis is given that determines its performance characteristics. Finally its performance is examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Then another novel channel estimation method through interpolation is proposed that uses more than one OFDM symbol to estimate the channel. For this novel method a novel mathematic analysis is given which includes the effect of the time variant channel. The performance of this method is also examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Finally the third objective is to study the implementation and optimization process of the proposed estimation algorithms in realistic hardware systems. For this it was selected to implement a part of the previously proposed algorithms in a digital signal processing system that is very close to be considered a realistic implementation. This way it is feasible to study the implementation choices that have to be made and the tradeoffs for the optimum performance of the system.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μελέτη της τεχνικής μετάδοσης OFDM. Η τεχνική OFDM είναι πια μια ώριμη τεχνολογία με αποδεδειγμένη ικανότητα να προσφέρει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων με ιδιαίτερα μεγάλη αποτελεσματικότητα ακόμα και σε δύσκολα περιβάλλοντα μετάδοσης. Αυτό αντικατοπτρίζεται και από την πολύ μεγάλη διείσδυσή της στην αγορά με ενσωμάτωσή της σε πολλά εμπορικά προϊόντα. Όμως οι σύγχρονες ανάγκες επικοινωνιών επιτάσσουν ακόμα πιο μεγάλη αποτελεσματικότητα στην μετάδοση δεδομένων και πλέον συστήματα και λύσεις που προτάθηκαν πριν 2 με 3 χρόνια θεωρούνται αναποτελεσματικά. Κύριο σημείο για την αύξηση της αποτελεσματικότητας αποτελεί η δυνατότητα προσαρμογής του συστήματος στις συνθήκες μετάδοσης. Οι συνθήκες μετάδοσης χαρακτηρίζονται κυρίως από το ασύρματο κανάλι. Για να επιτευχθεί η μεγαλύτερη δυνατή αποτελεσματικότητα το σύστημα θα πρέπει να είναι ικανό να εκτιμά τα κύρια χαρακτηριστικά του ασύρματου καναλιού και στην συνέχεια να προσαρμόζει ανάλογα τα χαρακτηριστικά μετάδοσης. Ένα τέτοιο προσαρμοστικό σύστημα έχει σημαντικό πλεονέκτημα απέναντι σε ένα μη προσαρμοστικό σύστημα το οποίο αντιμετωπίζει την κάθε περίπτωση με έναν ενιαίο μη βέλτιστο τρόπο. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα, το οποίο συναντάται σε όλα τα συστήματα και στο OFDM, είναι η διαφορά της απόδοσης των αλγορίθμων ανάμεσα στην εξομοίωση τους σε λογισμικό και στην υλοποίηση τους σε υλικό. Η παρούσα διατριβή έχει τρεις στόχους. Ο πρώτος στόχος είναι να μελετηθεί το κανάλι μετάδοσης και να διερευνηθούν τα κύρια χαρακτηριστικά του. Η εκτίμηση των χαρακτηριστικών αυτών θα αποτελέσει την προσεγγιστική εκτίμηση καναλιού. Στην συνέχεια το σύστημα βασιζόμενο σε αυτά τα χαρακτηριστικά θα μπορεί να προσαρμοστεί κάθε φορά με τον βέλτιστο τρόπο. Αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι να αποφασιστεί ότι οι συντελεστές που περιγράφουν προσεγγιστικά το κανάλι είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο, η συχνότητα Doppler, η εξάπλωση καθυστέρησης και ο συντελεστής Κ του καναλιού Ricean και να αναπτυχθούν αλγόριθμοι εκτίμησης για κάθε έναν. Μέσω των προτεινόμενων αλγορίθμων το σύστημα θα μπορεί να εκτιμήσει τις συνθήκες μετάδοσης και να προσαρμοστεί κατάλληλα. Ο δεύτερος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της ακριβούς εκτίμησης καναλιού και η ενίσχυση της απόδοσης του συστήματος μέσω αυτής. Για την μελέτη αυτή επιλέχθηκαν δύο διαφορετικοί τρόποι προσέγγισής της. Η πρώτη προσέγγιση ασχολείται με την λεπτομερή εκτίμηση χαρακτηριστικών του καναλιού όπως ο αριθμός των διαδρομών του και η χρονική τοποθέτησή τους. Στην συνέχεια αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των συντελεστών του καναλιού. Η δεύτερη προσέγγιση ασχολείται με την εκτίμηση καναλιού με την χρήση τεχνικών παρεμβολής. Η μελέτη των τεχνικών παρεμβολής οδήγησε στον προσδιορισμό των βασικών προβλημάτων τους και στην πρόταση νέων τεχνικών εκτίμησης καναλιού. Αρχικά προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης μέσω αντικατάστασης των εικονικών υποφορέων του συστήματος με πιλότους. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μια νέα μαθηματική ανάλυση η οποία προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά της απόδοσής του. Τέλος η απόδοση της εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε ιδιαίτερα δύσκολες συνθήκες. Στην συνέχεια προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης καναλιού μέσω παρεμβολής η οποία χρησιμοποιεί παραπάνω από ένα σύμβολα OFDM για την εκτίμηση του καναλιού. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μία νέα μαθηματική ανάλυση η οποία εμπεριέχει την επίδραση της χρονικής μεταβολής του καναλιού στην απόδοση του συστήματος. Η απόδοση και αυτής της μεθόδου εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε δύσκολες συνθήκες. Τέλος ο τρίτος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της διαδικασίας υλοποίησης και βελτιστοποίησης των προτεινόμενων αλγορίθμων εκτίμησης ρεαλιστικά συστήματα υλικού. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε η υλοποίηση μέρους των προηγούμενων προτεινόμενων αλγορίθμων σε ένα σύστημα ψηφιακής επεξεργασίας, το οποίο είναι πολύ κοντά στο να θεωρείται μια ρεαλιστική υλοποίηση. Έτσι είναι εφικτή η μελέτη των επιλογών της υλοποίησης και των συμβιβασμών της για την βέλτιστη απόδοση του συστήματος.