Ανάπτυξη και αξιολόγηση της επίδοσης ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας υψηλής χωρητικότητας
Authors: Χατζηδιαμαντής Νέστωρ 
Published: January 2014

Καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών για μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης, καθίσταται όλο και πιο επιτακτική η ανάγκη για την ανάπτυξη τεχνολογιών επικοινωνίας υψηλής χωρητικότητας. Δύο τέτοιες ασύρματες τεχνολογίες οι οποίες έχουν προσελκύσει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια είναι οι ασύρματες οπτικές (OW) επικοινωνίες και οι ραδιοσυχνοτικές (RF) επικοινωνίες με κατανεμημένα συστήματα πολλαπλών εισόδων και εξόδων (MIMO). Η πρώτη τεχνολογία χρησιμοποιεί οπτικά φέροντα για την μετάδοση της πληροφορίας μέσω της ατμόσφαιρας, ενώ η δεύτερη επεκτείνει την ιδέα των παραδοσιακών RF MIMO συστημάτων χρησιμοποιώντας κατανεμημένα στον χώρο συστήματα πολλαπλών κεραιών εκπομπής ή/και λήψης. Παρά όμως τα σημαντικά πλεονεκτήματα αυτών των τεχνολογιών, στην πράξη υπάρχουν σημαντικοί παράγοντες που υποβαθμίζουν την επίδοσή τους. Έτσι, η σχεδίαση και η ανάπτυξη συστημάτων επικοινωνιών που χρησιμοποιούν αυτές τις δύο τεχνολογίες μετάδοσης, καθώς και η μελέτη και αξιολόγηση της επίδοσης τους αποτελούν το κύριο αντικείμενο της παρούσας διατριβής. Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής ασχολείται με τα OW συστήματα. Αρχικά, λαμβάνοντας υπόψη ότι τα συστήματα αυτά επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από το ατμοσφαιρικό κανάλι, νέες τεχνικές ανίχνευσης προτείνονται για τον περιορισμό της επίδρασης του καναλιού. Οι προτεινόμενες τεχνικές ανίχνευσης εκμεταλλεύονται την αργή χρονική μεταβλητότητα του ατμοσφαιρικού καναλιού και πραγματοποιούν ανίχνευση χωρίς να έχουν καμία πληροφορία, είτε για την στιγμιαία είτε για την στατιστική κατάσταση του καναλιού. Στην συνέχεια, αναλυτικά εργαλεία παρουσιάζονται για την αξιολόγηση της επίδοσης MIMO OW συστημάτων, βάσει μιας καινοτόμας προσέγγισης της στατιστικής του αθροίσματος Gamma-Gamma τυχαίων μεταβλητών. Έτσι, παράγονται νέες αναλυτικές εκφράσεις για διάφορες μετρικές επίδοσης των συστημάτων αυτών, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αξιόπιστες εναλλακτικές στις χρονοβόρες Monte Carlo προσομοιώσεις. Ως επιπλέον μέτρο για τον περιορισμό της επίδρασης του ατμοσφαιρικού καναλιού, ακολουθεί η παρουσίαση μίας νέας τεχνικής προσαρμοσμένης μετάδοσης που μπορεί να εφαρμοστεί στα OW συστήματα. Το προτεινόμενο σχήμα μετάδοσης προσαρμόζει την τάξη της διαμόρφωσης φάσης φέροντος σύμφωνα με την στιγμιαία κατάσταση του ατμοσφαιρικού καναλιού και προσφέρει σημαντικά κέρδη στην αποδοτικότητα φάσματος. Τέλος, διερευνούνται πρωτόκολλα αναμετάδοσης για OW συστήματα που υποβοηθιούνται από αναμεταδότες και προτείνονται πρωτόκολλα επιλογής ενός αναμεταδότη. Τα προτεινόμενα σχήματα αναμετάδοσης όχι μόνο προσφέρουν καλύτερη επίδοση, αλλά αντιμετωπίζουν και τα θέματα συγχρονισμού που προκύπτουν στην περίπτωση των ανόμοιων OW ζεύξεων. Το δεύτερο κομμάτι της παρούσας διατριβής αφορά τα RF κατανεμημένα MIMO συστήματα. Σε αυτά τα συστήματα, οι πολλαπλές κεραίες εκπομπής ή και λήψης βρίσκονται κατανεμημένες στον χώρο και εξαιτίας αυτού, τα φαινόμενα σκίασης λαμβάνονται υπόψη κατά την αξιολόγηση της επίδοσής τους. Νέα αναλυτικά όρια εξάγονται για την εργοδική χωρητικότητα των συστημάτων αυτών, θεωρώντας τα Γενικευμένο K και K μοντέλα καναλιού. Τα παραγόμενα αποτελέσματα, σε συνδυασμό με την ασυμπτωτική ανάλυση στις περιοχές των χαμηλών και υψηλών σηματοθορυβικών λόγων, αποκαλύπτουν την επίδραση των παραμέτρων συστήματος στην συνολική χωρητικότητα που επιτυγχάνεται από αυτά τα συστήματα. Επιπρόσθετα, η Zero-Forcing (ZF) μέθοδος ανίχνευσης διερευνάται στο πλαίσιο των κατανεμημένων MIMO συστημάτων και ένας στατιστικός χαρακτηρισμός των ZF ανιχνευτών σε MIMO κανάλια που παραμορφώνονται από γρήγορες διαλείψεις αλλά και φαινόμενα σκίασης παρουσιάζεται. Από τις αναλυτικές σχέσεις που εξάγονται, χρήσιμα συμπεράσματα προκύπτουν σχετικά με τους παράγοντες που επηρεάζουν την επίδοση των ZF ανιχνευτών.