Performance optimization techniques for small and large scale communication systems
Authors: Ντούνη Γεωργία 
Published: September 2021

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.