Ασύρματες τηλεπικοινωνίες αποκεντρωμένου διαφορισμού

Abstract

Cooperative diversity is a recently developed concept that involves the use of wireless relaying terminals for forwarding the information signal from a source terminal to a destination terminal. In this dissertation, the concept of distributed diversity is introduced, which allows for the cooperative diversity schemes to be studied under a novel perspective, by translating into them the conventional diversity setup. The available relays thereby form multiple paths between source and destination which in fact consist the diversity branches of the distributed diversity scheme. Based upon the above concept, novel methods for activating the available relays are proposed, in a fashion that allows for the mode of operation of distributed diversity to share the same principal concept as that of conventional diversity. First the case of activating multiple relaying terminals is considered: A performance analysis in terms of symbol error rate is conducted for a particular case of multiple relay activation, as well as for a particular fading assumption. Additionally, a novel relay selection method is proposed, which attains a well-balanced tradeoff between error performance and overall energy consumption. The dissertation then focuses on the case of activating a single relaying terminal among the available ones, which is treated separately due to the special features that entails. Closed-form expressions for the performance of two similar yet different distributed selection diversity schemes are derived, along with a relay selection method that ensures approximately equal energy consumption among the available relays. Furthermore, the activation of a single relay based upon the switch and stay concept is proposed; according to this method, the selected relay remains active for as long as the communication through the corresponding branch is sufficiently good. Moreover, a performance analysis of several variations of distributed switch and stay diversity is conducted, in terms of the most commonly used performance metrics. Finally, we conduct a relay switching rate analysis for selective distributed diversity schemes. Closed-form expressions regarding the above rate are derived, allowing for an insight into the performance, as well as the implementation complexity of the distributed diversity concept in practical scenarios where the fading is time-variable.

Ο διαφορισμός συνεργασίας αποτελεί μια μέθοδο επίτευξης διαφορισμού που αναπτύχθηκε πρόσφατα στο χώρο των ασύρματων τηλεπικοινωνιών, περιλαμβάνοντας τη χρησιμοποίηση ασύρματων αναμεταδοτών στην προώθηση του σήματος πληροφορίας από ένα τερματικό πηγή σε ένα τερματικό προορισμό. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, εισάγεται η έννοια του αποκεντρωμένου διαφορισμού, η οποία προσδίδει μια νέα διάσταση στα συστήματα διαφορισμού συνεργασίας, μεταφέροντας σε αυτά την ιδέα του κλασικού διαφορισμού όπως αυτός εφαρμόζεται στα συμβατικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Ως εκ τούτου, οι διαθέσιμοι αναμεταδότες σχηματίζουν πολλαπλές διαδρομές επικοινωνίας μεταξύ πηγής και προορισμού, οι οποίες απαρτίζουν ουσιαστικά τους κλάδους ενός χωρικά αποκεντρωμένου συστήματος διαφορισμού. Με βάση το παραπάνω σκεπτικό, στην παρούσα διατριβή προτείνονται νέες μέθοδοι ενεργοποίησης των αναμεταδοτών με τέτοιο τρόπο ώστε τα συστήματα διαφορισμού συνεργασίας να σχηματίζουν ουσιαστικά αποκεντρωμένες εκδόσεις των συμβατικών τεχνικών διαφορισμού. Αρχικά θεωρείται η περίπτωση της ενεργοποίησης πολλαπλών, εν γένει, αναμεταδοτών. Στο πλαίσιο αυτό διεξάγεται μια ανάλυση της επίδοσης ρυθμού σφαλμάτων σε συστήματα αποκεντρωμένου διαφορισμού συγκεκριμένου τρόπου λειτουργίας και συγκεκριμένης θεώρησης διαλείψεων, ακολουθούμενα από μια καινοτόμο μέθοδο επιλογής τερματικών που επιτυγχάνει εξισορρόπηση της ανταλλαγής επίδοσης - συνολικά καταναλισκόμενης ενέργειας. Στη συνέχεια η διατριβή εστιάζει στην περίπτωση ενεργοποίησης ενός μόνο αναμεταδότη, η οποία παρουσιάζει ορισμένα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά επίδοσης και λειτουργίας. Εξάγονται κλειστές μαθηματικές σχέσεις αναφορικά με την επίδοση δύο παραλλαγών του αποκεντρωμένου διαφορισμού επιλογής προτείνεται ακόμη μια μέθοδος επιλογής τερματικού με τέτοιο τρόπο ώστε να εξασφαλίζεται ίση κατά προσέγγιση κατανάλωση ενέργειας από τους διαθέσιμους αναμεταδότες. Επιπρόσθετα, προτείνεται για πρώτη φορά η ενεργοποίηση αναμεταδότη βάσει της ιδέας μεταγωγής και παραμονής, σύμφωνα με την οποία ο εκάστοτε ενεργός αναμεταδότης απενεργοποιείται μόνον όταν παύει να προσφέρει ικανοποιητικό επίπεδο επικοινωνίας μεταξύ πηγής και προορισμού, λόγω μεταβολής της κατάστασης διαλείψεων των εμπλεκόμενων καναλιών. Παράλληλα με τη διατύπωση της ιδέας αυτής, διεξάγεται μια εκτενής ανάλυση της επίδοσης του αποκεντρωμένου διαφορισμού μεταγωγής και παραμονής, ως προς τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα κριτήρια επίδοσης, για διάφορες παραλλαγές των παραπάνω συστημάτων. Τέλος, πραγματοποιείται μια ανάλυση ρυθμού μεταγωγής αναμεταδότη στα συστήματα αποκεντρωμένου διαφορισμού στα οποία λαμβάνει χώρα επιλογή ενός εκ των διαθέσιμων τερματικών. Μέσω της ανάλυσης αυτής εξάγεται ο ρυθμός μεταγωγής σε κλειστή μαθηματική μορφή, προσφέροντας έτσι μια πλήρη ανάλυση των επιδόσεων και συνάμα της επιτευξιμότητας των συστημάτων αποκεντρωμένου διαφορισμού σε περιβάλλοντα χρονικά μεταβαλλόμενων διαλείψεων.