Αρχιτεκτονικές και αλγόριθμοι εκτίμησης ραδιοδιαύλου για σύγχρονα ευρυζωνικά ασύρματα συστήματα επικοινωνιών
Authors: Μαρούσης Αθανάσιος 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη και αξιολόγηση νέων αρχιτεκτονικών και αλγορίθμων εκτίμησης του ραδιοδιαύλου σε σύγχρονα ευρυζωνικά ασύρματα συστήματα επικοινωνιών. Η αναγκαιότητα του θέματος συνδέεται άμεσα με το γεγονός ότι η βαθμίδα εκτίμησης του ραδιοδιαύλου σε πραγματικό χρόνο αποτελεί κομβική συνιστώσα στην αποδοτική λειτουργία μιας ασύρματης ζεύξης και κατ' επέκταση ενός ασύρματου συστήματος. Επιπλέον, η ενσωμάτωση νέων τεχνικών εκπομπής και λήψης για τη βελτίωση του ρυθμού μετάδοσης τόσο των υπαρχόντων, όσο και των μελλοντικών ευρυζωνικών ασύρματων συστημάτων αυξάνει τις απαιτήσεις ενός εκτιμητή του ασύρματου διαύλου. Στοχεύοντας σε μια ολοκληρωμένη προσέγγιση, αρχικά, αναπτύσσονται συστήματα όπου η πληροφορία μεταδίδεται χρησιμοποιώντας τα πεδία του χώρου, του χρόνου, της συχνότητας και του κώδικα. Τέτοια συστήματα είναι τα Multiple Input Multiple Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing (ΜΙΜΟ-OFDM), τα MIMO Multicarrier Code Division Multiple Access (MIMO MCCDMA) και τα MIMO Spread Spectrum MC Multiple Access (MIMO SS-MC-MA). Στη συνέχεια, προτείνονται καινοτόμες βαθμίδες εκτίμησης διαύλου και αναπτύσσονται αλγόριθμοι που επιτρέπουν τη συνεχή εκτίμηση του σε περιβάλλοντα διάδοσης με μεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά και μικρές τιμές συνοχής στα πεδία του χώρου του χρόνου και της συχνότητας. Σκοπεύοντας στην καλύτερη δυνατή αξιοποίηση των διαθέσιμων ραδιοπόρων του συστήματος, οι προτεινόμενες μέθοδοι είναι προσαρμοστικές και επιτρέπουν τη δυναμική επιλογή των παραμέτρων τους ανά περίπτωση. Ανάλογα με τα γενικά χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος διάδοσης είναι δυνατή η ρύθμιση των επιμέρους παραμέτρων ώστε η χρήση τους να είναι βέλτιστη. Η παραμετροποίηση των αρχιτεκτονικών και των μεθόδων που εξετάζονται επιτρέπει α) την ασφαλή και ενημερωμένη εκτίμηση του διαύλου και β) την προσαρμοστική επιλογή του κατάλληλου σχήματος εκπομπής για τη μεγιστοποίηση είτε του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, είτε της αξιοπιστίας της ζεύξης. Οι προτεινόμενες μέθοδοι είναι επαναληπτικές και παρουσιάζουν εξαιρετικά χαρακτηριστικά επίδοσης με μικρό αριθμό επαναλήψεων. Το γεγονός αυτό επιτρέπει την αποδοτική εκτίμηση του ραδιοδιαύλου αλλά και τη βελτίωση της συνολικής επίδοσης του συστήματος. Επιπλέον, ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην ελαχιστοποίηση της εκπαίδευσης που απαιτούν οι επαναληπτικές μέθοδοι. Σε κάθε επανάληψη, τα εκτιμηθέντα δεδομένα που προκύπτουν χρησιμοποιούνται ανά περίσταση με δύο πιθανούς τρόπους ως επιπλέον είσοδοι του εκτιμητή, είτε α) για την εξάλειψη της ενδογενούς παρεμβολής, είτε β) ως εικονικοί πιλότοι. Επίσης, εξετάζεται η χρήση μη-ορθογώνιων τεχνικών πλήρους ρυθμού όπου το σφάλμα ορθογωνιότητας είναι γνωστό στο δέκτη. Τέλος, υπό το πρίσμα της ρεαλιστικής αξιολόγησης των προτεινόμενων μεθόδων και αρχιτεκτονικών, πραγματοποιούνται μελέτες επίδοσης όπου μοντελοποιούνται και λαμβάνονται υπόψη οι ατέλειες των RF τμημάτων των πομποδεκτών. Αυτό γιατί, σε πρακτικά ασύρματα συστήματα ο εκτιμητής διαύλου καλείται να εκτιμήσει συνολικά την επίδραση του ασύρματου μέσου διάδοσης και των βαθμίδων του πομπού και του δέκτη που παρεμβάλλονται μέχρι τον ανιχνευτή πληροφορίας στο δέκτη και οι οποίες συντελούν στην αλλοίωση των χαρακτηριστικών του σήματος πληροφορίας.