Αρχιτεκτονικές και αλγόριθμοι εκτίμησης ραδιοδιαύλου για σύγχρονα ευρυζωνικά ασύρματα συστήματα επικοινωνιών

Abstract

This doctoral thesis deals with the development and evaluation of algorithms and architectures for channel estimation in wireless broadband communication systems. The necessity of this research topic arises from the fact that in practical conditions the assumption of perfect channel knowledge is not valid, and hence the performance of the channel estimation stage becomes of vital importance especially in high user mobility scenarios. In addition, the channel estimation architecture must be able not only to update with accuracy the channel knowledge in real time, but also to adapt its resources to training and data in a dynamic fashion. These requirements are further enhanced by the adoption of advanced transceiver schemes in the framework of throughput maximization and reliable link operation. Aiming to a complete approach, initially, wireless transceiver systems were designed with code-space-time-frequency coding, like MIMO OFDM and MIMO MC-CDMA/SS-MC-MA. Based on these, new channel estimation algorithms and techniques were developed giving special attention in the requirement for real time estimation in propagation environments with challenging characteristics. In addition, adaptive/hybrid channel estimation schemes were designed, that are capable of using the system and radio resources in an optimized way according to the prevailing channel characteristics. The accurate and updated channel state information is used not only for equalization purposes, but also for the adaptation of the transceiver scheme in link level targeting either to throughput maximization or to a reliable wireless connection. In the direction of efficient use of the radio resources, semi blind techniques were developed based on the use of pilot symbols in embedded and spread modes. Furthermore, iterative techniques were incorporated achieving worth noticing improvements even with a small number of iterations. The soft estimated data symbols were inserted in the channel estimation stage either in interference cancellation mode or in virtual pilot one. The proposed architecture is both generic and dynamic, where the actual loading of pilot and data layers (MIMO MC-CDMA) can be determined based on the channel conditions. Embedded pilot channel estimation, compared to conventional pilot aided techniques, is more flexible and robust to the channel selectivity, at the price of a small complexity increase. Also, the proposed channel estimation techniques were evaluated in various transceiver schemes, like quasi-orthogonal SFBC of full rate, indicating good performance results. Finally, and under the light of a realistic performance evaluation of the proposed schemes, the imperfections from the RF sections were taken into account indicating very promising results.

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.