Ανάπτυξη και αξιολόγηση της επίδοσης ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας υψηλής χωρητικότητας

Abstract

The constant need for higher data rates in support of the demanding applications has led to the development of high capacity communication technologies. Two wireless technologies, which have recently attracted the research interest due to their potential to deliver high data rates are the optical wireless (OW) and the distributed RF multiple input multiple output (MIMO) communications. The first technology employs optical carriers for the transmission of the information through the atmosphere, while the latter expands the concept of the traditional RF MIMO technology and uses distributed antenna systems, either at the transmitter and/or the receiver. Despite the advantages of both types of technologies, there are major impairments which degrade their performance. Therefore, the performance evaluation of these systems and the development of communication techniques, which improve their performance, have been the basic aims of this dissertation thesis. In particular, the first part of the thesis deals with OW systems. Taking into account that OW systems are susceptible to atmospheric effects, novel detection techniques are initially presented for mitigating these effects. The presented detection techniques exploit the slowly varying nature of the atmospheric channel and perform detection without having any information about the instantaneous or the statistical state of the channel. In the sequence, analytical tools for the performance evaluation of MIMO optical systems are provided, which are based on a novel approximation of the sum of Gamma-Gamma random variables. Thus, novel analytical expressions for various performance metrics of MIMO OW systems are derived, which can be used as reliable alternatives to time consuming Monte Carlo simulations. As an additional measure of mitigating the turbulence induced fading effects, a novel adaptive transmission scheme for OW systems follows. The proposed scheme adapts the modulation order of subcarrier PSK modulation according to the instantaneous state of the atmospheric channel and offers significant spectral efficiency gains. Finally, transmission protocols for relay assisted OW systems are investigated and novel relaying schemes which are based on relay selection are suggested. The proposed relaying schemes not only offer enhanced performance, but they address the synchronization issues that arise in case of unequal OW links as well. The second part of the thesis deals with RF distributed MIMO systems. In these systems, the multiple antennas are distributed, either at the transmitter or the receiver side, and therefore, shadowing effects need to be taken into account in their performance evaluation. Νovel analytical bounds for the ergodic capacity of distributed MIMO systems are initially derived, under the assumption of Generalized-K and K channel models. These results, in conjunction with some asymptotic analysis in the high and low signal-to-noise ratio regimes, reveal the implications of the channel model parameters on the capacity achieved by these systems. Moreover, a popular detection method, Zero-Forcing (ZF), is investigated in the context of distributed MIMO systems and a systematic characterization of ZF detectors over MIMO channels that experience both small and large-scale fading is provided. The derived analytical framework offers useful insights into the factors that govern ZF detectors' performance.

Καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών για μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης, καθίσταται όλο και πιο επιτακτική η ανάγκη για την ανάπτυξη τεχνολογιών επικοινωνίας υψηλής χωρητικότητας. Δύο τέτοιες ασύρματες τεχνολογίες οι οποίες έχουν προσελκύσει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια είναι οι ασύρματες οπτικές (OW) επικοινωνίες και οι ραδιοσυχνοτικές (RF) επικοινωνίες με κατανεμημένα συστήματα πολλαπλών εισόδων και εξόδων (MIMO). Η πρώτη τεχνολογία χρησιμοποιεί οπτικά φέροντα για την μετάδοση της πληροφορίας μέσω της ατμόσφαιρας, ενώ η δεύτερη επεκτείνει την ιδέα των παραδοσιακών RF MIMO συστημάτων χρησιμοποιώντας κατανεμημένα στον χώρο συστήματα πολλαπλών κεραιών εκπομπής ή/και λήψης. Παρά όμως τα σημαντικά πλεονεκτήματα αυτών των τεχνολογιών, στην πράξη υπάρχουν σημαντικοί παράγοντες που υποβαθμίζουν την επίδοσή τους. Έτσι, η σχεδίαση και η ανάπτυξη συστημάτων επικοινωνιών που χρησιμοποιούν αυτές τις δύο τεχνολογίες μετάδοσης, καθώς και η μελέτη και αξιολόγηση της επίδοσης τους αποτελούν το κύριο αντικείμενο της παρούσας διατριβής. Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής ασχολείται με τα OW συστήματα. Αρχικά, λαμβάνοντας υπόψη ότι τα συστήματα αυτά επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από το ατμοσφαιρικό κανάλι, νέες τεχνικές ανίχνευσης προτείνονται για τον περιορισμό της επίδρασης του καναλιού. Οι προτεινόμενες τεχνικές ανίχνευσης εκμεταλλεύονται την αργή χρονική μεταβλητότητα του ατμοσφαιρικού καναλιού και πραγματοποιούν ανίχνευση χωρίς να έχουν καμία πληροφορία, είτε για την στιγμιαία είτε για την στατιστική κατάσταση του καναλιού. Στην συνέχεια, αναλυτικά εργαλεία παρουσιάζονται για την αξιολόγηση της επίδοσης MIMO OW συστημάτων, βάσει μιας καινοτόμας προσέγγισης της στατιστικής του αθροίσματος Gamma-Gamma τυχαίων μεταβλητών. Έτσι, παράγονται νέες αναλυτικές εκφράσεις για διάφορες μετρικές επίδοσης των συστημάτων αυτών, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αξιόπιστες εναλλακτικές στις χρονοβόρες Monte Carlo προσομοιώσεις. Ως επιπλέον μέτρο για τον περιορισμό της επίδρασης του ατμοσφαιρικού καναλιού, ακολουθεί η παρουσίαση μίας νέας τεχνικής προσαρμοσμένης μετάδοσης που μπορεί να εφαρμοστεί στα OW συστήματα. Το προτεινόμενο σχήμα μετάδοσης προσαρμόζει την τάξη της διαμόρφωσης φάσης φέροντος σύμφωνα με την στιγμιαία κατάσταση του ατμοσφαιρικού καναλιού και προσφέρει σημαντικά κέρδη στην αποδοτικότητα φάσματος. Τέλος, διερευνούνται πρωτόκολλα αναμετάδοσης για OW συστήματα που υποβοηθιούνται από αναμεταδότες και προτείνονται πρωτόκολλα επιλογής ενός αναμεταδότη. Τα προτεινόμενα σχήματα αναμετάδοσης όχι μόνο προσφέρουν καλύτερη επίδοση, αλλά αντιμετωπίζουν και τα θέματα συγχρονισμού που προκύπτουν στην περίπτωση των ανόμοιων OW ζεύξεων. Το δεύτερο κομμάτι της παρούσας διατριβής αφορά τα RF κατανεμημένα MIMO συστήματα. Σε αυτά τα συστήματα, οι πολλαπλές κεραίες εκπομπής ή και λήψης βρίσκονται κατανεμημένες στον χώρο και εξαιτίας αυτού, τα φαινόμενα σκίασης λαμβάνονται υπόψη κατά την αξιολόγηση της επίδοσής τους. Νέα αναλυτικά όρια εξάγονται για την εργοδική χωρητικότητα των συστημάτων αυτών, θεωρώντας τα Γενικευμένο K και K μοντέλα καναλιού. Τα παραγόμενα αποτελέσματα, σε συνδυασμό με την ασυμπτωτική ανάλυση στις περιοχές των χαμηλών και υψηλών σηματοθορυβικών λόγων, αποκαλύπτουν την επίδραση των παραμέτρων συστήματος στην συνολική χωρητικότητα που επιτυγχάνεται από αυτά τα συστήματα. Επιπρόσθετα, η Zero-Forcing (ZF) μέθοδος ανίχνευσης διερευνάται στο πλαίσιο των κατανεμημένων MIMO συστημάτων και ένας στατιστικός χαρακτηρισμός των ZF ανιχνευτών σε MIMO κανάλια που παραμορφώνονται από γρήγορες διαλείψεις αλλά και φαινόμενα σκίασης παρουσιάζεται. Από τις αναλυτικές σχέσεις που εξάγονται, χρήσιμα συμπεράσματα προκύπτουν σχετικά με τους παράγοντες που επηρεάζουν την επίδοση των ZF ανιχνευτών.