Σχήματα ιεραρχικής και χωρικής διαμόρφωσης σε περιβάλλοντα γενικευμένων διαλείψεων

Abstract

This thesis deals with designing novel hierarchical modulation (HM) and spatial modulation (SM) schemes to improve the average bit error probability (ABEP) performance of wireless communication systems.In Chapter 1, the current State of the Art considering HM is presented. HM is the most popular representative of superposition coding, hence being incorporated in many IEEE standards. Note that superposition coding aims at providing unequal error protection (UEP) to streams of different priority that are jointly transmitted. Having studied the relevant bibliography, a layered offset hierarchical modulation scheme is proposed that shifts by half a symbol period the high priority (HP) modulated stream as to the low priority (LP) one. The proposed scheme is shown to enhance the HP error performance. Finally, the application of HM in a broadcast scenario is studied aiming at maximizing the average spectral efficiency.Chapter 2 presents the digital signal processors (DSP) test-bed that has been implemented in the Wireless Communications Laboratory (WiCom) of the Institute of Informatics and Telecommunications NCSR Demokritos. By employing an RF subsystem operating in the ISM band of 2.4 GHz, the test-bed is used for the wireless transmission of a gray-scale picture. It is shown that the application of hierarchical modulation enhances the depiction quality of the received image.Chapter 3 presents the State of the Art for spatial modulation that is a promising low-complexity candidate for next generation MIMO systems. Having studied the relevant bibliography, a new framework for the ABEP performance of space shift keying (SSK) - being a subcase of SM - is developed. Specifically, a closed-form expression for the ABEP upper bound of extended generalized K (EGK) fading channels is derived based on the Hankel transform, employing integral transforms along with special functions. Special cases of EGK include generalized K (GK) and Nakagami fading, for which closed-form expressions are derived, as well. The theoretical analysis is extended to the derivation of analytical expressions concerning the coding gain and diversity gain for the considered fading environments. These expressions are finally employed to evaluate the asymptotic ABEP of SM MIMO receivers.In Chapter 4, the evaluation of UEP schemes for SM systems is studied, an open scientific area with little research contribution until today. To handle with the inadequate SSK performance under Rician fading, an hierarchical multilevel space shift keying (HMSSK) scheme is proposed, assigning the HP modulated bits to different numbers of active transmit antennas, whereas the LP stream is transmitted employing an SSK based scheme. The last issue studied in this PhD thesis is accomplishing UEP by jointly employing the spatial and signal domains for the modulation of the HP and LP streams. Taking into account specific constraints, multilevel space shift keying (MSSK) is combined with hierarchical modulation leading to the proposed multilevel spatial hierarchical modulation (MSHM) scheme.

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών Ιεραρχικής και Χωρικής διαμόρφωσης με σκοπό τη βελτίωση της επίδοσης των συστημάτων ασυρμάτων επικοινωνιών ως προς τη μέση πιθανότητα λάθους (Average Bit Error Probability, ABEP).Στο Κεφάλαιο 1 μελετάται η ιεραρχική διαμόρφωση (hierarchical modulation, HM) ως η πλέον διαδεδομένη μεταξύ των τεχνικών κωδικοποίησης υπέρθεσης (superposition coding). Οι τεχνικές αυτές επιτυγχάνουν άνιση προστασία έναντι λαθών (unequal error protection, UEP) κατά την ταυτόχρονη εκπομπή ροών διαφορετικής προτεραιότητας. Μετά την επισκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας με παράλληλη αναφορά στα διεθνή πρότυπα τα οποία ενσωματώνουν ιεραρχική διαμόρφωση, προτείνεται ένα σχήμα ιεραρχικής διαμόρφωσης χρονικής ολίσθησης μεταξύ των διαμορφωμένων ψηφίων της ροής υψηλής προτεραιότητας (high priority, HP) ως προς τα διαμορφωμένα ψηφία της ροής χαμηλής προτεραιότητας (low priority, LP). Το σχήμα επιτυγχάνει βελτίωση της μέσης πιθανότητας λάθους της ροής HP. Στη συνέχεια μελετάται η εφαρμογή ιεραρχικής διαμόρφωσης για τη μεγιστοποίηση της μέσης φασματικής απόδοσης ενός ασυρμάτου συστήματος ευρυεκπομπής.Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η πλατφόρμα (test-bed) ψηφιακών επεξεργαστών σήματος (digital signal processors, DSP) που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο Ασυρμάτων Επικοινωνιών (WiCom) του Ινστιτούτου Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του ΕΚΕΦΕ ”Δ”. Με τη βοήθεια υποσυστήματος RF που λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων ISM 2,4 GHz, η πλατφόρμα χρησιμοποιήθηκε για την ασύρματη αποστολή εικόνας, η βελτίωση της ποιότητας απεικόνισης της οποίας διαπιστώθηκε κατά την ανάκτηση της μέσω της εφαρμογής ιεραρχικής διαμόρφωσης.Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η χωρική διαμόρφωση (spatial modulation, SM) ως τεχνική χαμηλής πολυπλοκότητας για συστήματα MIMO νέας γενιάς. Μετά την επισκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας, αναπτύσσεται ένα πλαίσιο για την αξιολόγηση της επίδοσης του σχήματος μεταγωγής μετατόπισης χώρου (space shift keying, SSK) - που αποτελεί υποπερίπτωση της χωρικής διαμόρφωσης σε περιβάλλοντα γενικευμένων διαλείψεων. Συγκεκριμένα, με τη χρήση ολοκληρωτικών μετασχηματισμών και ειδικών συναρτήσεων, διατυπώνεται έκφραση κλειστής μορφής βασισμένη στο μετασχηματισμό Hankel για το άνω όριο (upper bound) της μέσης πιθανότητας λάθους σε περιβάλλον επεκτεταμένων γενικευμένων διαλείψεων K (extended generalized K, EGK). Επιπλέον, διατυπώνονται εκφράσεις κλειστής μορφής για περιβάλλον γενικευμένων διαλείψεων K (generalized K, GK) και διαλείψεων Nakagami που αποτελούν υποπεριπτώσεις των διαλείψεων EGK. Η θεωρητική ανάλυση επεκτείνεται στη διατύπωση αναλυτικών εκφράσεων για το κέρδος κωδικοποίησης και το διαφορικό κέρδος στα ανωτέρω περιβάλλοντα διαλείψεων. Αυτές οι σχέσεις χρησιμοποιούνται για τη διατύπωση έκφρασης κλειστής μορφής για την ασυμπτωτική συμπεριφορά της μέσης πιθανότητας λάθους δεκτών SM MIMO.Το Κεφάλαιο 4 μελετά την ανάπτυξη τεχνικών άνισης προστασίας έναντι λαθών σε σχήματα χωρικής διαμόρφωσης, όπου η σχετική βιβλιογραφία έως σήμερα είναι ιδιαιτέρως περιορισμένη. Για την αντιμετώπιση της ανεπαρκούς επίδοσης του σχήματος SSK σε περιβάλλοντα διαλείψεων Rice, προτείνεται η ιεραρχική πολυσταθμική μεταγωγή μετατόπισης χώρου (hierarchical multilevel SSK, HMSSK), η οποία αντιστοιχεί τα διαμορφωμένα ψηφία της ροής υψηλής προτεραιότητας σε διαφορετικό πλήθος ενεργών κεραιών, ενώ η ροή χαμηλής προτεραιότητας διαμορφώνεται κατά SSK. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τη μελέτη της δυνατότητας επίτευξης άνισης προστασίας έναντι λαθών μέσω συνδυαστικής διαμόρφωσης των ροών πληροφορίας των δύο επιπέδων προτεραιότητας στα πεδία του χώρου και των σημάτων. Λαμβάνοντας υπόψη κατάλληλους περιορισμούς κατά την υπέρθεση των συμβόλων που διαμορφώνονται στα δύο ανωτέρω πεδία, το σχήμα πολυσταθμικής μεταλλαγής μετατόπισης χώρου συνδυάζεται με σχήμα ιεραρχικής διαμόρφωσης, οδηγώντας στο προτεινόμενο σχήμα πολυσταθμικής ιεραρχικής χωρικής διαμόρφωσης (multilevel spatial hierarchical modulation, MSHM).