Συνεργατικές επικοινωνίες και τεχνικές προώθησης σε ασύρματα ευρυζωνικά επίγεια και δορυφορικά δίκτυα

Abstract

The subject of this thesis is the study of the outage performance of wireless telecommunication systems that use cooperative diversity techniques. These systems use multiple cooperative nodes creating multiple diversity channels that generally suffer from correlated fading. Therefore, the destination node receives multiple versions of the same information signal through the cooperative nodes and properly combines them creating the final signal. As a result the performance and the reliability of telecommunication systems are improved. In the 1st Chapter the general characteristics of cooperative networks are presented. In the 2nd Chapter the physical layer channel models studied in the following are described using the joint lognormal and gamma distributions and taking into account the transmission medium spatial structure. In the 3rd Chapter a full physical model describing the end-to-end outage performance of a dual-hop system is presented and the outage probability of a system with a regenerative and a non-regenerative adaptive or fixed gain relay is calculated. The outage analysis of a system with a relay equipped with a channel estimator that predicts the fading of the second hop based on the first hop information is also presented. The different relays types are compared with a power efficient direct link and the optimum relay position is investigated. In the 4th Chapter the outage analysis of a cooperative diversity system using a regenerative relay is presented while comparison between different cooperative diversity protocols, multiple access protocols and combining techniques, is also provided taking into account the energy and spectral efficiency of these systems. Numerical results investigate the regions of the values of the carrier-to-noise ratio and of system parameters where cooperation provides or fails to provide gain over the non-cooperation case. In the 5th Chapter the outage probability of a dual satellite diversity reception system suffering from rain attenuation is analytically calculated In order to avoid the use of multiple satellites and increase the system performance at the same time synergy between satellite and terrestrial networks is proposed.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάλυση της επίδοσης των ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που χρησιμοποιούν τεχνικές συνεργατικής διαφορικότητας. Τα συνεργατικά συστήματα αποτελούνται από πολλαπλούς κόμβους οι οποίοι συνεργάζονται μεταξύ τους δημιουργώντας πολλαπλά κανάλια διαφορικότητας που γενικά υποφέρουν από συσχετισμένες διαλείψεις. Επομένως, ο τελικός χρήστης λαμβάνει πολλαπλές εκδοχές του ίδιου σήματος πληροφορίας μέσω των συνεργατικών κόμβων και τις συνδυάζει κατάλληλα δημιουργώντας το τελικό σήμα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη βελτίωση της επίδοσης και της αξιοπιστίας των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Στο 1° Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα γενικά χαρακτηριστικά των συνεργατικών δικτύων. Στο 2° Κεφάλαιο περιγράφεται η μοντελοποίηση του φυσικού στρώματος των καναλιών που μελετώνται, στη συνέχεια χρησιμοποιώντας την από κοινού λογαριθμοκανονική και γάμμα κατανομή και λαμβάνοντας υπόψη τη χωρική δομή του μέσου διάδοσης. Στο 3° Κεφάλαιο παρουσιάζεται ένα ολοκληρωμένο φυσικό μοντέλο για την ανάλυση της ολικής επίδοσης ενός συστήματος δυο βημάτων και υπολογίζεται η πιθανότητα αποκοπής ενός συστήματος με έναν αναγεννητικό και ένα μη-αναγεννητικό επαναλήπτη σταθερού ή μεταβλητού κέρδους. Επίσης, μελετάται ένας επαναλήπτης που περιλαμβάνει έναν εκτιμητή καναλιού που προβλέπει την απόσβεση του δευτέρου βήματος βασισμένος στην πληροφορία που λαμβάνει από το πρώτο βήμα. Τα διάφορα είδη επαναλήπτη συγκρίνονται με μια ενεργειακά ισοδύναμη απευθείας ζεύξη και διερευνάται η βέλτιστη θέση του επαναλήπτη. Στο 4° Κεφάλαιο υπολογίζεται αναλυτικά η πιθανότητα αποκοπής ενός συνεργατικού συστήματος με έναν αναγεννητικό επαναλήπτη ενώ γίνεται σύγκριση μεταξύ διαφορετικών πρωτοκόλλων συνεργασίας πολλαπλής πρόσβασης και συνδυαστικών τεχνικών λαμβάνοντας υπόψη την ενεργειακή και φασματική ισοδυναμία των συστημάτων αυτών. Τα αριθμητικά αποτελέσματα υποδεικνύουν το εύρος τιμών του σηματοθορυβικού λόγου και των διάφορων παραμέτρων του συστήματος που η συνεργασία μεταξύ των κόμβων υπερτερεί ή αποτυγχάνει να δώσει κέρδος σε σχέση με την περίπτωση μη συνεργασίας. Στο 5° Κεφάλαιο αρχικά υπολογίζεται η πιθανότητα αποκοπής ενός συστήματος διπλής δορυφορικής διαφορικής λήψης που υποφέρει από διαλείψεις λόγω βροχής και στη συνέχεια προτείνεται η συνεργασία μεταξύ δορυφορικών και επίγειων δικτύων με σκοπό να αποφευχθεί η χρήση πολλαπλών δορυφόρων και ταυτόχρονα να βελτιωθεί η επίδοση ενός συστήματος.