Σχεδιασμός πομποδεκτών για ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα υπερ-ευρείας ζώνης
Authors: Δουκέλη Αιμιλία 
Published: January 2014

Τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα τεχνολογίας μετάδοσης παλμών υπέρ-ευρείας ζώνης (Ultra-Wideband – UWB) αποτελούν μια υποσχόμενη λύση στο πρόβλημα του περιορισμένου εύρους φάσματος για τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα (Wireless Personal Networks - WPAN), επιτρέποντας τη συνύπαρξη νέων υπηρεσιών με τα υπάρχοντα συστήματα δημιουργώντας ελάχιστη ή μηδαμινή παρεμβολή. Τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα UWB διαφέρουν από τα συμβατικά συστήματα, καθώς χρησιμοποιούνται παλμοί εξαιρετικά μικρής χρονικής διάρκειας για την επικοινωνία πομπού και δέκτη. Τα φυσικά χαρακτηριστικά των παλμών αυτών και το μεγάλο εύρος ζώνης που δημιουργείται, έχουν ως αποτέλεσμα τη δραματική επίδραση των συνιστωσών πολλαπλών οδεύσεων (Multipath Components – MPCs) στην επίδοση των συστημάτων UWB σε αντίθεση με τα συστήματα στενής ζώνης. Κάθε όδευση αποτελεί ένα αντίγραφο του εκπεμπόμενου σήματος με διαφορετική απόκριση καναλιού, αυξάνοντας έτσι την τάξη διαφορισμού του συστήματος. Με την εφαρμογή κατάλληλων δεκτών (π.χ. κτενοειδείς δέκτες – Rake) οι διαφορετικές οδεύσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση των επιδόσεων. Ωστόσο, το πλήθος των οδεύσεων που επεξεργάζονται στο δέκτη αυξάνει την πολυπλοκότητα του συστήματος, η οποία είναι δυνατό να μην αντισταθμίζεται από την αντίστοιχη βελτίωση της επίδοσης. Στην παρούσα διατριβή μελετώνται οι δέκτες RAKE ως προς την εξισορρόπηση (trade-off) μεταξύ πολυπλοκότητας και επίδοσης. Προτείνονται δύο προσαρμοστικοί δέκτες Rake, οι οποίοι συνδυάζουν ένα υποσύνολο των διαχωριζόμενων σημάτων λαμβάνοντας υπόψη την ποιότητα του συνολικού λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR) και το SNR του κάθε ενός σήματος ξεχωριστά. Με αυτή τη μέθοδο μειώνεται το πλήθος των συνδυαζόμενων σημάτων, ενώ διατηρείται η απαιτούμενη επίδοση σφάλματος. Οι προτεινόμενοι δέκτες προσφέρουν καλύτερη προσαρμοστικότητα στις συνθήκες του καναλιού μετάδοσης σε σύγκριση με άλλες προηγούμενες προτάσεις, χωρίς ωστόσο να αυξάνουν την πολυπλοκότητα λειτουργίας. Η επίδοσή τους μελετάται σε κανάλια υπέρ-ευρείας ζώνης (UWB). Προς την ίδια κατεύθυνση μελετώνται δέκτες διακοπτικού διαφορισμού (switched diversity receivers) με στόχο τη μείωση των αναγκαίων μεταγωγών μεταξύ των κλάδων λήψης, καθώς οι συχνές εναλλαγές υποβαθμίζουν τη συνολική επίδοση. Σαν λύση προτείνεται μια εναλλακτική και απλούστερη υλοποίηση των διακοπτικών δεκτών γενικευμένης μεταγωγής και παραμονής (generalized switch and stay combining), η οποία απαιτεί μόνο ένα διακοπτικό μηχανισμό. Παράλληλα τα βέλτιστα κατώφλια λειτουργίας προσεγγίζονται από κλειστές μαθηματικές εκφράσεις, απλοποιώντας με αυτόν τον τρόπο τη λειτουργία των δεκτών. Τέλος, προς την κατεύθυνση της υλοποίησης δομών πομποδεκτών με χαμηλή πολυπλοκότητα στη λήψη του σήματος στα UWB συστήματα, μελετώνται οι δέκτες με εκπομπή σήματος αναφοράς (Transmitted Reference - TR) οι οποίοι δεν απαιτούν εκτίμηση του σήματος κατά τη λήψη. Όμως οι πομποδέκτες TR, λόγω της μετάδοσης πρόσθετων παλμών αναφοράς, εμφανίζουν απώλεια απόδοσης 3dB και 50% απώλεια στο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. Εναλλακτικά, οι διαφορικοί πομποδέκτες TR (differential TR - DTR), όπου ο προηγούμενος παλμός δεδομένων που εκπέμπεται χρησιμοποιείται ως παλμός αναφοράς, προσφέρει συγκρίσιμη ή καλύτερη απόδοση με αυτή του TR, καθώς και υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής προτείνεται μια απλούστερη στην υλοποίηση και αποδοτικότερη ως προς την χρησιμοποιούμενη ενέργεια δομή πομποδεκτών, το σύστημα αυτο-αναφοράς (Self Reference -SR), το οποίο χρησιμοποιεί ως παλμό αναφοράς ένα επεξεργασμένο αντίγραφο του ιδίου λαμβανόμενου σήματος. Στο προτεινόμενο σύστημα δεν υπάρχει ανάγκη για υλοποίηση γραμμής καθυστέρησης στο δέκτη, ενώ δεν απαιτείται εκτίμηση των παραμέτρων του καναλιού με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται χαμηλότερη πολυπλοκότητα υλοποίησης, μειωμένους υπολογιστικούς πόρους και κατανάλωση ενέργειας. Η προτεινόμενη δομή μελετάται σε κανάλια υψηλής συχνότητας (high-frequency channels - HF) αποδεικνύοντας ότι προσφέρει καλύτερη ή συγκρίσιμη απόδοση σε σχέση με αυτή του DTR ανάλογα με τις συνθήκες του καναλιού.