Modelling and advanced methods to improve the efficiency of MIMO channels in wireless communication systems
Authors: Μαλαματούδης Μιχαήλ 
Published: December 2021

Η εφαρμογή και υλοποίηση μιας νέας γενιάς ασύρματων δικτύων επικοινωνιών βασίζονται στη χρήση της τεχνολογίας MIMO (Multiple-Input Multiple- Output), η οποία με χωρική κωδικοποίηση του σήματος επιτυγχάνει αύξηση του εύρους ζώνης του καναλιού στο οποίο η μετάδοση και η λήψη δεδομένων υλοποιείται μέσω ενός συστήματος πολλών κεραιών, σύστημα πολλαπλών κεραιών. Οι κεραίες εκπομπής και λήψης πρέπει να είναι τοποθετημένες έτσι ώστε η συσχέτιση μεταξύ γειτονικών κεραιών να είναι ασθενής.Η τεχνολογία MIMO είναι βασικό στοιχείο των συστημάτων ασύρματης επικοινωνίας IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA+ (3G), WiMAX (4G) και Long Term Evolution (4G LTE).Η τεχνολογία MIMO επιτρέπει μεγάλη αύξηση της φασματικής απόδοσης, αύξηση της ενεργειακής απόδοσης και αύξηση της αντίστασης θορύβου στο κανάλι επικοινωνίας, τα οποία είναι βασικά για την ικανοποίηση των απαιτήσεων της γρήγορης μεταφοράς δεδομένων, όπου το φάσμα και η ενέργεια σήματος είναι ολοένα και πιο σημαντικά και επηρεάζεται από μια σειρά περιοριστικών παραγόντων.Η απόκτηση πληροφοριών κατάστασης καναλιού είναι ένας βασικός παράγοντας για την εύρεση τρόπων βελτίωσης της απόδοσης του καναλιού στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών. Τα μαζικά συστήματα MIMO βασίζονται συνήθως στην εκτίμηση των καναλιών μετάδοσης άνω και κάτω ζεύξης. Με τον τεράστιο αριθμό καναλιών που αξιολογούνται μεταξύ των πομποδεκτών, απαιτείται αρκετά μεγάλη συνοχή καναλιών για να επιτραπεί η αποτελεσματική λειτουργία. Η ακρίβεια με την οποία μπορούν να προσδιοριστούν οι βέλτιστες παράμετροι καναλιού και το χρονικό διάστημα κατά το οποίο η κατάσταση του καναλιού μπορεί να θεωρηθεί σταθερή οδηγεί σε πολλούς περιορισμούς στην εφαρμογή μεθόδων για τη βελτίωση της απόδοσης των καναλιών MIMO σε δίκτυα ασύρματων επικοινωνιών.Πολλοί από τους αλγόριθμους που απαιτούνται για τη μοντελοποίηση και την αξιολόγηση καναλιών MIMO χρησιμοποιούνται σε συστήματα ασύρματης επικοινωνίας. Ωστόσο, τα σύγχρονα συστήματα MIMO διαφέρουν σημαντικά από τα παραδοσιακά στο γεγονός ότι ο αριθμός των εξαρτημάτων στις κεραίες πομποδέκτη και τα διαμορφωμένα κανάλια αυξάνονται, τα κανάλια πρέπει να υποβάλλονται σε παράλληλη επεξεργασία και αυτό επηρεάζει σημαντικά την αποτελεσματικότητα του συστήματος επικοινωνίας. Αν και η επεξεργασία και η εκτίμηση του καναλιού MIMO σε πραγματικό χρόνο αυξάνεται σημαντικά, πολλοί αλγόριθμοι επεξεργασίας μπορεί να είναι γραμμικοί και όχι μη γραμμικοί, συμβάλλοντας στην εξισορρόπηση της μαζικής αύξησης των πολυκαναλικών συνδέσεων δέκτη προς πομπό.Οι αλγόριθμοι MIMO είναι επίσης σημαντικοί για πλατφόρμες υλικού, καθώς επηρεάζουν άμεσα το υπολογιστικό υλικό που καταναλώνεται, δηλαδή τη χωρητικότητα και την αποδοτικότητα του εξοπλισμού επικοινωνίας. Είναι σημαντικό να βρεθούν και να χρησιμοποιηθούν αλγόριθμοι που παρέχουν υψηλές επιδόσεις επικοινωνίας όπου μπορούν να στοχεύσουν αποτελεσματικά στο κατάλληλο υλικό και έτσι να κάνουν την τεχνολογία MIMO μια αποδεδειγμένη εναλλακτική στα μελλοντικά πρότυπα επικοινωνίας.Αν και η θεωρία της μαζικής τεχνολογίας MIMO είναι πολλά υποσχόμενη, η περαιτέρω ανάπτυξη απαιτεί εις βάθος ανάλυση μοντέλων και κατάλληλη μοντελοποίηση για την αξιολόγηση και ανάλυση διαφόρων αλγορίθμων. Η διατριβή πραγματεύεται σύγχρονες μεθόδους που σχετίζονται με τη βελτίωση της απόδοσης των μοντέλων καναλιών MIMO σε συστήματα ασύρματης επικοινωνίας με βάση τα πρότυπα IEEE 802.11 και κινητά 4/5G συστήματα επικοινωνίας.Αντικείμενο της μελέτης είναι τα κανάλια επικοινωνίας MIMO στα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα επικοινωνίας σύμφωνα με τα πρότυπα IEEE 802.11, 4G LTE και LTE Advanced. Στη μελέτη παρουσιάζονται οι μέθοδοι μοντελοποίησης του καναλιού MIMO, η αξιολόγηση των παραμέτρων του καναλιού καθώς και οι μεταξύ τους εξαρτήσεις που καθορίζουν την ποιότητα των σημάτων και την απόδοση του δικτύου.Αντικείμενο της μελέτης είναι οι διάφορες διεργασίες σε φυσικό επίπεδο (παραγωγή, κωδικοποίηση, διαμόρφωση, μετάδοση και λήψη) που σχετίζονται με το κανάλι MIMO, καθώς και οι εξαρτήσεις που αφορούν τις παραμέτρους που καθορίζουν την αποτελεσματικότητα της μετάδοσης πληροφοριών υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Οι μέθοδοι έρευνας διαφοροποιούνται κυρίως στα επιμέρους κεφάλαια, όπως αναλυτικά, προσομοιωτικά και πρακτικά, καλύπτοντας τις εξαρτήσεις των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν την υλοποίηση μεμονωμένων μοντέλων.Η τοποθεσία της μελέτης είναι υποδειγματική, η οποία αφορά πρακτικές μελέτες του καναλιού επικοινωνίας MIMO σε συγκεκριμένη περιοχή κάλυψης ασύρματου δικτύου. Τα εργαλεία λογισμικού Matlab/Simulink, Matlab/Simulink, WinProp, Aerohive Wi-Fi Planning, TamoGraph Site Survey, Acrylic Wireless Calculator και G-NetTrack χρησιμοποιούνται για μελέτες προσομοίωσης. Υποδειγματικά μοντέλα ραδιοκάλυψης παρουσιάζονται σε ασύρματο δίκτυο με κανάλια MIMO, μέσω μοντέλων προσομοίωσης που επιδεικνύουν αμοιβαίες συσχετίσεις και δέσμευση παραμέτρων μέσα σε αυτά.Σκοπός της μελέτης είναι η καθιέρωση μεθοδολογιών διαδικασιών που σχετίζονται με σωστές προσεγγίσεις μοντελοποίησης, επιλογή αρχιτεκτονικής και υλοποίηση, επιλογή απαραίτητου εξοπλισμού και σωστή διαμόρφωση, μέσω παρακολούθησης και αξιολόγησης παραμέτρων σήματος στα κανάλια MIMO που σχετίζονται με τη βελτίωση της αποδοτικότητας επικοινωνίας σε ασύρματα δίκτυα επικοινωνίας.