dc.description.abstract | Οι τεχνολογίες ασύρματων επικοινωνιών έχουν παρουσιάσει αλματώδη εξέ-
λιξη μέσα σε λίγα μόλις χρόνια. Είναι παρούσες σε όλους σχεδόν τους τομείς της
καθημερινής μας ζωής, που περιλαμβάνουν ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές ζεύ-
ξεις, κινητά τηλέφωνα και δορυφορικές επικοινωνίες. Μερικές από τις προκλήσεις
που έχουν να αντιμετωπίσουν, είναι ο συνεχόμενα αυξανόμενος αριθμός των χρη-
στών, οι απαιτήσεις για ποιότητα και αξιοπιστία, ο αυξανόμενος ρυθμός μετάδο-
σης της εκπεμπόμενης πληροφορίας, καθώς επίσης και το πλήθος νέων υπηρε-
σιών υψηλής ποιότητας που πρέπει να υποστηριχθούν. Οι συνεργατικές τεχνικές
μετάδοσης έρχονται να συμβάλλουν προς τη βελτίωση, όλων των παραπάνω. Το
αντικείμενο μελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής, είναι η αξιολόγηση
επίδοσης ασύρματων δικτύων νέας γενιάς με αναμεταδότες. Ως μέτρα αξιολόγη-
σης χρησιμοποιούνται, η εργοδική χωρητικότητα η οποία είναι, ο μέγιστος ρυθμός
αξιόπιστης μετάδοσης πληροφορίας σε ένα δίαυλο και η ενεργός χωρητικότητα,
η οποία παρέχει την ίδια πληροφορία με την εργοδική χωρητικότητα, λαμβάνο-
ντας επιπλέον υπόψη, περιορισμούς που επιβάλλονται ως προς την ποιότητα της
παρεχόμενης υπηρεσίας.
Αρχικά εξετάζεται ένα ασύρματο συνεργατικό σύστημα πολλαπλών κόμβων
πηγών-πολλαπλών κόμβων προορισμού, το οποίο χρησιμοποιεί πρωτόκολλο ενί-
σχυσης και προώθησης και λειτουργεί υπό την παρουσία διαλείψεων Rayleigh. Ως μέτρο αξιολόγησης της επίδοσης του εν λόγω συστήματος χρησιμοποιείται η ενερ-
γός χωρητικότητα. Η ενεργός χωρητικότητα λαμβάνει υπόψιν συγκεκριμένους πε-
ριορισμούς, οι οποίοι παρέχονται από τα ανώτερα στρώματα του μοντέλου ανα-
φοράς ανοικτής διασύνδεσης συστημάτων και αφορούν την ποιότητα της παρεχό-
μενης υπηρεσίας στον χρήστη. Οι κόμβοι έχουν τη δυνατότητα να εκπέμπουν ως
πηγές και να λαμβάνουν, ως αναμεταδότες, σε διαφορετικές συχνότητες. Όλοι οι
κόμβοι λειτουργούν με μία κεραία, υπό την παρουσία λευκού προσθετικού Γκαου-
σιανού θορύβου. Επιπλέον, ομοδιαυλικές παρεμβολές επηρεάζουν την επίδοση
των κόμβων αναμετάδοσης. Ο αναμεταδότης εκπέμπει προς τους κόμβους προ-
ορισμού, χρησιμοποιώντας μετάδοση μεγίστου λόγου και μια από τις τρεις κα-
τανεμημένες γραμμικές τεχνικές προκωδικοποίησης: i) τεχνική εξαναγκασμού στο
μηδέν, ii) διαφορισμό μεγίστου λόγου και iii) ελαχιστοποίηση μέσου τετραγωνι-
κού σφάλματος. Για την τεχνική εξαναγκασμού στο μηδέν, παρουσιάζονται νέες
αναλυτικές εκφράσεις κλειστής μορφής για την ενεργό χωρητικότητα, θεωρώντας
ίση ή διαφορετική κατανομή ισχύος σε πηγαίους κόμβους και αναμεταδότη. Ορί-
ζεται επίσης, ένα κλειστής μορφής άνω φράγμα, της ενεργού χωρητικότητας, το
οποίο την προσεγγίζει σε πολύ μεγάλο βαθμό, για μεγάλες τιμές του λόγου σή-
ματος προς θόρυβο. Βασιζόμενοι στο φράγμα, ερευνάται η περίπτωση της ίσης
κατανομής ισχύος στις δύο ζεύξεις μετάδοσης. Ολοκληρώνοντας με την τεχνική
εξαναγκασμού στο μηδέν, ορίζονται απλές ασυμπτωτικές εκφράσεις της ενεργού
χωρητικότητας, για μεγάλες τιμές του σηματοθορυβικού λόγου. Για την τεχνική
διαφορισμού μεγίστου λόγου και της τεχνικής ελαχιστοποίησης μέσου τετραγω-
νικού σφάλματος, ορίζονται προσεγγιστικές, αλλά πολύ ακριβείς αναλυτικές εκ-
φράσεις της ενεργού χωρητικότητας, ενώ εξάγονται επίσης αντίστοιχες εκφράσεις
κλειστής μορφής που είναι ασυμπτωτικά πολύ ακριβείς. Τέλος ορίζονται για τις
τεχνικές, εξαναγκασμού στο μηδέν και την ελαχιστοποίηση μέσου τετραγωνικού
σφάλματος, κλειστής μορφής εκφράσεις της ενεργού χωρητικότητας για μεγάλο
πλήθος κεραιών, όπου αποδεικνύει ότι, συγκρινόμενες με την τεχνική μεγίστου
λόγου, οι δύο αυτές τεχνικές επιτυγχάνουν υψηλότερη ενεργό χωρητικότητα.
Στη συνέχεια, εξετάζεται η επίδοση συστήματος, χρησιμοποιώντας ως μέτρο την εργοδική χωρητικότητα. Στην έρευνα αυτή, λαμβάνονται υπόψιν οι ατέλειες
υλικού στους κόμβους π.χ. μη γραμμικότητες ενισχυτών ισχύος, ανισορροπία I/Q,
σφάλματα φάσης και σφάλματα κβαντισμού. Ορίζονται νέες αναλυτικές εκφρά-
σεις για την εργοδική χωρητικότητα συνεργατικών συστημάτων ενίσχυσης και προ-
ώθησης, με αναμεταδότες σταθερού ή μεταβλητού κέρδους. Αυτές οι εκφράσεις
ισχύουν για οποιαδήποτε μοντέλα καναλιών διαλείψεων και στηρίζονται στον υπο-
λογισμό της ροπογεννήτριας συνάρτησης του σηματοθορυβικού λόγου και του
αντίστροφου στιγμιαίου σηματοθορυβικού λόγου για κάθε άλμα μετάδοσης. Στη
συνέχεια προτείνονται απλές εκφράσεις κλειστής μορφής για κανάλια διαλείψεων
Rayleigh και Nakagami-0.5, με χρήση αναμεταδότη σταθερού και μεταβλητού κέρ-
δους, αντίστοιχα. Οι εξαγόμενες εκφράσεις εφαρμόζονται σε δύο διαφορετικά
συστήματα. Το πρώτο είναι ένα σύστημα αναμετάδοσης μεταβλητού κέρδους,
διπλού άλματος, με πολλαπλές κεραίες στον αναμεταδότη και στον προορισμό.
Επιπλέον θεωρείται ότι ο αναμεταδότης λειτουργεί υπό την επίδραση παρεμβο-
λών και μόνο, ενώ ο κόμβος προορισμού λειτουργεί υπό την επίδραση θερμικού
θορύβου. Το δεύτερο είναι ένα σύστημα ενίσχυσης και προώθησης, πολλαπλών
κόμβων πηγών και πολλαπλών κόμβων προορισμού, με αναμεταδότη σταθερού ή
μεταβλητού κέρδους.
Η ορθότητα των προτεινόμενων σχέσεων, επιβεβαιώνεται μέσω της σύγκρι-
σης των αναλυτικών αποτελεσμάτων, με τα αποτελέσματα που λαμβάνονται μέσω
ημι-αναλυτικών προσομοιώσεων Monte Carlo. | el |
dc.description.abstracttranslated | Wireless communicaons technologies evolve rapidly and are present in almost
every sector of everyday life, including radio and television links, mobile and satellite
communicaons. Some of the challenges are the constantly increasing number of
users, the demand for quality and reliability, the increasing transmission rate, as
well as the wide range of new high quality services that need to be sustained. The
cooperave techniques contribute to the improvement of all the above. The aim
of this thesis is to evaluate the performance of new generaon wireless networks
with relays. The evaluaon metrics are the ergodic capacity, that is the highest rate
for reliable transmission of informaon and the effecve capacity, that provides
the same informaon as ergodic capacity, considering the limitaons imposed by
the quality of service provided.
Inially we examine a mul-source and mul-desnaon wireless cooperave
network, which uses the amplify-and-forward protocol and operates in the presence
of Rayleigh fading. The end-to-end (e2e) maximum throughput under delay constraints
is examined, namely as effecve capacity. The effecve capacity is an appealing
performance metric since it reveals fundamental trade-offs between physical layer
performance and quality of the provided service. Nodes having the ability to simultaneously
transmit as sources and receive as relays over different frequencies.
All nodes employs with a single antenna and operate in the presence of addive white Gaussian noise. Moreover, co-channel interference affects the performance
of relay nodes. The relay transmits to the desnaon nodes by employing the maximum-
rao transmission scheme and one of the three distributed linear precoding
techniques: i) zero-forcing technique, ii) maximal-rao combining and iii) minimum
mean-squared error. About the zero-forcing scheme we present new closed-form
analycal expressions for effecve capacity considering equal or different distribu
on of power in resource nodes and relay. We also define a closed-form upper
bound of effecve capacity, which approaches it in great degree in large numbers
of signal-to-noise-rao (SNR). Based on the bound we invesgate the case of equal
power allocaon in two transmission hops. Compleng with zero-forcing scheme
we define simple asymptoc expressions of effecve capacity for large numbers of
SNR. For the technique of maximum-rao transmission scheme and the minimum
mean-squared error scheme we determine approximate yet highly accurate EC analy
cal expressions, as well as asymptocally ght closed-form expressions. Finally,
we determine closed-form expressions of effecve capacity for large number of
antennas for the zero-forcing scheme and minimum mean-squared error scheme,
something that proves that, compared with maximum-rao scheme, these two
techniques achieve higher effecve capacity.
Next, we examine the maximum throughput of system, using the ergodic capacity
as performance metric. The relaying systems subject to hardware impairments
like, power amplifier non linearies, I/Q imbalance, phase noise and quanzaon
errors. We define new analycal expressions for the EC of dual-hop amplify-andforward
with fixed gain-variable gain relays. These expressions are valid for arbitrary
fading channel models, providing that the moments-generang funcon of the inverse
instantaneous SNR of each hop is readily available. Next we suggest simple
closed-form expressions for Rayleigh and Nakagami-0.5 fading channels, with the
use of fixed gain-variable gain relay correspondingly. The concluding expressions
apply to two different systems. A variable-gain relaying system equipped with mul
ple antennas at the relay and the desnaon, assuming an interference-limited
relay and a noise-limited desnaon and a mul-source mul-desnaon system equipped with variable- or fixed-gain relays.
The correctness of the proposed mathemacal analysis is verified by comparing
analycal with Monte Carlo simulaons results. | el |