Σχεδιασμός ψηφιακών δεκτών πολλαπλής μετάδοσης -πολλαπλής λήψης για βιομηχανικό περιβάλλον ασύρματων επικοινωνιών

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε, με σκοπό να εξεταστεί η λειτουργία και την απόδοση των MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) συστημάτων σε βιομηχανικά περιβάλλοντα. Κατά πρώτο λόγο, παρουσιάζεται ο ορισμός των συστημάτων MIMO. Τα συστήματα MIMO (Multiple Input – Multiple Output) αποτελούν τεχνολογία ασύρματης επικοινωνίας που αξιοποιεί πολλαπλές κεραίες στον πομπό και στον δέκτη με στόχο τη βελτίωση της χωρητικότητας, της ταχύτητας και της αξιοπιστίας των δικτύων. Τα συστήματα MIMO προσφέρουν πληθώρα πλεονεκτημάτων, όπως η ενίσχυση σήματος (array gain), η διαφοροποίηση (diversity gain) και η δυνατότητα ταυτόχρονης μετάδοσης πολλαπλών ροών δεδομένων (spatial multiplexing gain). Υπάρχουν διάφορες τεχνικές επεξεργασίας σήματος για την ανάλυση και αποδιαμόρφωση, όπως οι Zero Forcing, MMSE και Maximum Likelihood Detection. Παρά τα πλεονεκτήματα, τα MIMO παρουσιάζουν προκλήσεις όπως αυξημένη πολυπλοκότητα υλοποίησης, ανάγκη για ακριβή εκτίμηση καναλιού και κατανάλωση ενέργειας, ιδιαίτερα σε φορητές συσκευές. Αξίζει να τονιστεί ότι γίνεται αναφορά στα χαρακτηριστικά και τις προκλήσεις του βιομηχανικού περιβάλλοντος, όπως η παρουσία μεταλλικών επιφανειών, η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή, η δυναμική κίνηση αντικειμένων και οι σκληρές περιβαλλοντικές συνθήκες, τα οποία επιδρούν σημαντικά στην ασύρματη επικοινωνία. Η μοντελοποίηση του καναλιού γίνεται με τη χρήση στατιστικών κατανομών fading, όπως η Rayleigh, η Rician και η Nakagami-m, λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβολές στην ισχύ του λαμβανόμενου σήματος λόγω πολλαπλών διαδρομών και παρεμβολών. Ακόλουθα, αναφέρονται τα κρίσιμα μεγέθη Level Crossing Rate (LCR) και Average Fade Duration (AFD). Στη συνέχεια, παρατίθενται τεχνολογίες ασύρματης επικοινωνίας κατάλληλες για βιομηχανικές εφαρμογές, όπως τα πρωτόκολλα WirelessHART, ISA100.11a, ZigBee, Wi-Fi (IEEE 802.11) και 5G. Συμπερασματικά, ο συνδυασμός MU-MIMO τεχνικών με εξειδικευμένα ασύρματα πρωτόκολλα μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση των επικοινωνιακών συστημάτων σε βιομηχανικά περιβάλλοντα.