Performance optimization techniques for small and large scale communication systems

Abstract

This dissertation deals with the assessment and enhancement of wireless communication systems in both large and small scale. While the communications systems of the former type are widely known due to the widespread use of mobile and radio services, small scale communications is a novel research area involving the information exchange among devices with size of the order of nanometers. The first part of the thesis is devoted to the study and optimization of wireless multicarrier systems, emphasizing on a recently proposed technique called OFDM-IM. OFDM-IM exploits the subcarrier indices as an extra source of information and boosts the performance of conventional OFDM systems in frequency selective and rapidly time-varying fading channels. In this study, the selection of optimal tone spacing between the subcarriers is proposed as a means to minimize the combined effect of ICI, induced by the multipath, and ISI, caused by the Doppler spread. Utilizing an LTV channel model in the frequency domain with an exponentially decaying PDP, closed-form expressions for the useful power transmitted by the active subcarriers as well as for the interchannel and intersymbol interference, both for active and inactive subcarriers, are derived. The novel ICI and ISI power formulas for the active subcarriers are utilized in a low complexity algorithm for the evaluation of the optimal tone spacing. With this optimization, the SINR and capacity of the system are increased compared to conventional tone spacing utilized in already existing systems. The second part of the thesis deals with molecular communication systems that employ molecules for the transfer of information. Symbols are formed by the number of transmitted molecules of a certain type. Moreover, molecular communication systems suffer from both ISI, when molecules reach the receiver at a later time instant than expected, and external noise, when molecule sources other than the transmitter exist in the environment. Receivers in these systems can be categorised as active, which interact with the molecules they absorb, and passive that do not produce chemical reactions with the molecules that enter their volume. In this thesis, both types of receivers are studied and optimized in terms of the detection timing, assuming OOK modulation and single threshold detection. Particularly, the time interval, where the active receiver counts the absorbed information molecules, is optimized to minimize the error probability. Similarly, for a passive receiver counting the number of molecules received at specific time instances, the timing and number of observations are optimised to improve the error performance and reduce the detection complexity. Additionally, the weighted sum detector is optimized in terms of error performance for a passive receiver by evaluating its weights via a recently devised algorithm, called A-APSO. Finally, a Mixture Poisson distribution with less components is proposed for the calculation of the error probability through a simpler formula than the existing one in the literature. A Gaussian approximation for the distribution of the received molecules' number, when bit-x was transmitted, is also proposed and utilized for the calculation of the optimal threshold value via a closed-form expression.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την αξιολόγηση και βελτιστοποίηση ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας μεγάλης και μικρής κλίμακας. Ενώ τα συστήματα της πρώτης κατηγορίας είναι ευρέως γνωστά λόγω της χρήσης τους στην καθημερινή ζωή, η επικοινωνία σε επίπεδο μικρής κλίμακας αποτελεί μια καινοτόμα επιστημονική περιοχή και αφορά επικοινωνία μεταξύ συσκευών με διαστάσεις στην κλίμακα των νανομέτρων. Το πρώτο τμήμα της διατριβής επικεντρώνεται στη μελέτη και βελτιστοποίηση ασύρματων συστημάτων με πολλαπλά φέροντα και συγκεκριμένα στην τεχνική ορθογώνιας πολυπλεξίας με διαίρεση συχνότητας και διαμόρφωση δεικτών υποφορέων (OFDM-IM). Η τεχνική OFDM-IM εκμεταλλεύεται τους δείκτες των υποφορέων σαν μια επιπλέον πηγή πληροφορίας και βελτιώνει την απόδοση των κλασσικών συστημάτων OFDM σε συχνοεπιλεκτικά και ραγδαία μεταβαλλόμενα στο χρόνο κανάλια διαλείψεων. Η επιλογή της βέλτιστης συχνοτικής απόστασης μεταξύ των φερόντων εφαρμόζεται για την ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση της παρεμβολής μεταξύ των υποφορέων (ICI), εξαιτίας του φαινομένου της πολυόδευσης, και της ενδοσυμβολικής παρεμβολής (ISI) λόγω της διασποράς Doppler του καναλιού. Χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο καναλιού στο πεδίο της συχνότητας με ένα εκθετικά μειούμενο PDP, έγινε εξαγωγή πρωτότυπων εκφράσεων σε κλειστή μορφή για την χρήσιμη ισχύ που μεταδίδεται από τα ενεργά φέροντα, καθώς και για την ισχύ ICI και ISI τόσο των ενεργών όσο και των ανενεργών φερόντων. Στη συνέχεια, οι εκφράσεις της ισχύος των ICI και ISI για τα ενεργά φέροντα χρησιμοποιούνται από έναν αλγόριθμο χαμηλής πολυπλοκότητας για τον υπολογισμό της βέλτιστης συχνοτικής απόστασης των υποφορέων. Η αντικατάσταση της συμβατικά χρησιμοποιούμενης συχνοτικής απόστασης με τη βέλτιστη της τιμή οδηγεί στην αύξηση του λόγου SINR και της χωρητικότητας του συστήματος OFDM-IM. Το δεύτερο τμήμα της διατριβής αφορά συστήματα μοριακής επικοινωνίας που χρησιμοποιούν μόρια για τη μετάδοση της πληροφορίας. Στη διατριβή η πληροφορία βρίσκεται στον αριθμό των μεταδιδόμενων μορίων ενός συγκεκριμένου τύπου. Επιπλέον, τα συστήματα αυτά αντιμετωπίζουν προβλήματα ενδοσυμβολικής παρεμβολής, όταν τα μόρια φτάνουν ετεροχρονισμένα στον δέκτη, καθώς και εξωτερικού θορύβου από άλλες πηγές μορίων εκτός από τον πομπό. Οι δέκτες κατηγοριοποιούνται ως ενεργητικοί όταν αντιδρούν με τα μόρια που απορροφούν, και παθητικοί αν δεν αντιδρούν με τα μόρια που εισέρχονται στον όγκο τους. Εδώ εξετάζονται και οι δυο τύποι δεκτών και βελτιστοποιούνται σε ό,τι αφορά το χρονισμό της ανίχνευσης, θεωρώντας διαμόρφωση OOK και ανίχνευση με ένα κατώφλι απόφασης. Συγκεκριμένα, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα σφάλματος, βελτιστοποιείται το χρονικό διάστημα κατά το οποίο ο ενεργητικός δέκτης μετράει τα μόρια που απορρόφησε. Στην περίπτωση του παθητικού δέκτη, ο οποίος μετράει τον αριθμό των μορίων που έλαβε σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές, βελτιστοποιείται ο αριθμός των παρατηρήσεων και ο χρόνος όπου αυτές πραγματοποιούνται προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα σφάλματος και να μειωθεί η πολυπλοκότητα της ανίχνευσης. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε ένας καινούργιος αλγόριθμος, αναφερόμενος ως A-APSO, προκειμένου να υπολογιστούν τα βέλτιστα βάρη που χρειάζεται να εφαρμοστούν σε ένα ανιχνευτή αθροίσματος σταθμισμένων βαρών. Τέλος, προτείνεται μια κατανομή Mixture Poisson με λιγότερους όρους προκειμένου να υπολογιστεί η πιθανότητα σφάλματος μέσω μιας απλούστερης έκφρασης από τις υπάρχουσες στη βιβλιογραφία. Ταυτόχρονα, μια προσέγγιση με κατανομή Gaussian για τον αριθμό των μορίων που λαμβάνονται στο δέκτη όταν μεταδίδεται το bit-x οδηγεί στην εξαγωγή μιας σχέσης σε κλειστή μορφή για την προσέγγιση του βέλτιστου κατωφλίου απόφασης.