Advanced signal processing techniques for next generation mobile networks in the mmWave spectrum
Authors: Τρίγκα Μαρία 
Published: January 2024

Η συνεχώς αυξανόμενη ανάγκη για ασύρματη μετάδοση δεδομένων με πολύ υψηλό ρυθμό έχει ως αποτέλεσμα τη μελέτη συστημάτων που μπορούν να εμφανιστούν στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας 5ης και 6ης γεννιάς με συχνότητες έως και πάνω από 60 GHz. Ένα βασικό χαρακτηριστικό των συχνοτήτων στο χιλιοστομετρικό φάσμα είναι ότι, λόγω της σοβαρής απώλειας διαδρομής, το κανάλι είναι πολύ αραιό, όχι μόνο στο χρόνο αλλά στη συχνότητα και στο χώρο των γωνιών, με αποτέλεσμα τα λαμβανόμενα σήματα στις κεραίες να είναι συσχετισμένα. Η υψηλή εξασθένηση και ευαισθησία στο μπλοκάρισμα απαιτούν αρχιτεκτονικές και πρωτόκολλα αντιμετώπισης αυτών των προκλήσεων. Ως εκ τούτου, στη σχετική βιβλιογραφία έχουν προταθεί οι υβριδικές συστοιχίες μαζικών κεραιών για τη μετάδοση αυτών των σημάτων. Η υβριδική δομή φαίνεται να είναι απαραίτητη, δεδομένου ότι μια αμιγώς ψηφιακή δομή έχει υψηλό κόστος υλοποίησης και κατανάλωση ισχύος σε τεράστιες συστοιχίες κεραιών Πολλαπλών Εισόδων-Πολλαπλών Εξόδων. Αυτή η δομή αποτελείται από ένα αναλογικό και ένα ψηφιακό μέρος, το οποίο, στον πομπό, ονομάζεται προκωδικοποιητής και, στον δέκτη, συνδυαστής. Οι βασικές αρχιτεκτονικές για την υλοποίηση του αναλογικού τμήματος των υβριδικών συστημάτων κεραιών χωρίζονται σε πλήρως ή μερικώς συνδεδεμένες και υποσυνδεδεμένες (οι κεραίες είναι οργανωμένες σε μη επικαλυπτόμενες ομάδες), οι οποίες μπορούν να υλοποιηθούν μέσω ολισθητών φάσης ή διακοπτών. Για τον σχεδιασμό αυτών των δομών απαιτείται γνώση καναλιού. Γι' αυτό το λόγο, αυτή η διατριβή εστιάζει σε τεχνικές εκτίμησης καναλιού για τον εντοπισμό ανοιχτών ζητημάτων και προτείνει νέες προσεγγίσεις. Η εφαρμογή συμβατικών τεχνικών εκτίμησης καναλιών είναι απαγορευτική λόγω του μεγάλου αριθμού κεραιών πομπού-δέκτη και των απαιτούμενων συμβόλων εκπαίδευσης λόγω του υψηλού εύρους ζώνης και του χαμηλού επιπέδου λόγου σήματος προς θόρυβο πριν από την ευθυγράμμιση πομπού-δέκτη. Η εκτίμηση καναλιού στο χιλιοστομετρικό φάσμα μπορεί να επιτευχθεί είτε με σάρωση του χώρου των γωνιών (π.χ. μέσω μιας εξαντλητικής, ιεραρχικής αναζήτησης) για την εύρεση του καλύτερου ζεύγους λοβών μεταξύ πομπού-δέκτη ή διαμορφώνοντας ένα αραιό πρόβλημα ανάκτησης. Το περιβάλλον διάδοσης τυπικά μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας το γεωμετρικό μοντέλο καναλιού που περιλαμβάνει την απώλεια διαδρομής και τις γωνίες αναχώρησης και άφιξης στο πλευρά πομπού και δέκτη, αντίστοιχα. Η βασική ιδέα της παραμετρικής μοντελοποίησης είναι να υπολογιστούν οι εμπλεκόμενες γωνίες και οι αντίστοιχες εξασθενήσεις αντί να εκτιμηθεί η κρουστική απόκριση του καναλιού. Στην επεξεργασία σήματος για συστοιχίες κεραιών, έχουν σχεδιαστεί διάφοροι αλγόριθμοι εκτίμησης των γωνιών άφιξης για την κλασσική ομοιομορφή και γραμμική διάταξη κεραιών και παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους ερευνητές εδώ και αρκετές δεκαετίες, π.χ. στα ραντάρ και τις έξυπνες κεραίες. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, υποθέτοντας υβριδικής αρχιτεκτονικής διάταξη κεραιών στον δέκτη, προτείνεται ένα νέο σχήμα προεπεξεργασίας που επιτρέπει την πλήρη ανάκτηση του στιγμιότυπου σαν να είχαμε την κλασσιή γραμμική διάταξη, χρησιμοποιώντας μετρήσεις από τις αλυσίδες ραδιοσυχνοτήτων της υβριδικής δομής. Στη συνέχεια, οποιαδήποτε κλασική υψηλής ανάλυσης τεχνική εκτίμησης φάσματος ισχύος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση των εμπλεκόμενων άφιξης και άρα το κανάλι. Επίσης, μια πληθώρα αποτελεσματικών προσεγγίσεων αραιής κωδικοποίησης έχουν προταθεί για την απευθείας εκτίμηση των γεωμετρικών παραμέτρων οι οποίες εκμεταλλεύονται τις ιδιότητες αραιότητας του χιλιοστομετρικού καναλιού για μείωση του υπολογιστικού κόστους των μεθόδων χωρικής σάρωσης. Επιπλέον, δεδομένου ότι τα δίκτυα 5ης γενιάς θα αποτελούνται από μικρές και πυκνές κυψέλες, η συνεργατική επικοινωνία μεταξύ κοντινών συσκευών που μοιράζονται παρόμοια χαρακτηριστικά καναλιού θα είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία. Στις ασύρματες επικοινωνίες, οι αραιές αναπαραστάσεις έχουν χρησιμοποιηθεί για την αποτελεσματική μοντελοποίηση και εκτίμηση ενός καναλιού μιας συσκευής με τη βοήθεια μεθόδων αραιής κωδικοποίησης, ενισχύοντας τη φασματική και ενεργειακή απόδοση των 5ης γενιάς δικτύων και του Διαδικτύου των Πραγμάτων. Ως εκ τούτου, το δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής εστιάζει σε μοντέλα από κοινού αραιότητας για την αναπαράσταση των καναλιών των γειτονικών συσκευών και κατανεμημένων μεθόδων εκτίμησης που βασίζονται στις αραιές αναπαραστάσεις για τη διαμόρφωση μια προσέγγισης πλήρως κατανεμημένης και συνεργατικής μέσω ψηφοφορίας (με προσαρμοστικά βάρη) κατάλληλη για δίκτυα πολλαπλών εργασιών με μερικώς επικαλυπτόμενες παραμέτρους.