In wireless communications, frequency-selective fading is a major source of impairment for wireless communications. In this research, a novel Frequency-Domain Independent Component Analysis (ICA-F) approach is proposed to blindly separate and deconvolve signals traveling through frequency-selective, slow fading channels. Compared with existing time-domain approaches, the ICA-F is computationally efficient and possesses fast convergence properties. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed ICA-F. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems are widely used in wireless communications nowadays. However, OFDM systems are very sensitive to Carrier Frequency Offset (CFO). Thus, an accurate CFO compensation technique is required in order to achieve acceptable performance. In this dissertation, two novel blind approaches are proposed to estimate and compensate for CFO within the range of half subcarrier spacing: a Maximum Likelihood CFO Correction approach (ML-CFOC), and a high-performance, low-computation Blind CFO Estimator (BCFOE). The Bit Error Rate (BER) improvement of the ML-CFOC is achieved at the expense of a modest increase in the computational requirements without sacrificing the system bandwidth or increasing the hardware complexity. The BCFOE outperforms the existing blind CFO estimator [25, 128], referred to as the YG-CFO estimator, in terms of BER and Mean Square Error (MSE), without increasing the computational complexity, sacrificing the system bandwidth, or increasing the hardware complexity. While both proposed techniques outperform the YG-CFO estimator, the BCFOE is better than the ML-CFOC technique. Extensive simulation results illustrate the performance of the ML-CFOC and BCFOE approaches.

No / Many studies have been conducted to investigate the performance of priority queuing (PQ) systems with constant service capacity. However, due to the time-varying nature of wireless channels in wireless communication networks, the service capacity of queuing systemsmay vary over time. Therefore, it is necessary to investigate the performance of PQ systems in the presence of varying service capacity. In addition, self-similar traffic has been discovered to be a ubiquitous phenomenon in various communication networks, which poses great challenges to performance modelling of scheduling systems due to its fractal-like nature. Therefore, this paper develops a flow-decomposition based approach to performance modelling of PQ systems subject to self-similar traffic and varying service capacity. It specifically proposes an analytical model to investigate queue length distributions of individual traffic flows. The validity and accuracy of the model is demonstrated via extensive simulation experiments.

La connectivité totale offerte par la communication sans fil pose un grand nombre d'avantages et de défis pour les concepteurs de la future génération des réseaux sans fil. Un des principaux défis qui se posent est lié à l'interference au niveau des récepteurs. Il est bien reconnu que ce défi réside dans la conception des systèmes d'allocation des ressources qui offrent le meilleur compromis entre l'efficacité et la complexité. L'exploration de ce compromis nécessite des choix judicieux d'indicateurs de performance et des modèles mathématiques. À cet égard, cette thèse est consacrée à certains aspects techniques et mathématiques d'allocation des ressources dans les réseaux sans fil. En particulier, nous demontrons que l'allocation de ressources efficace dans les réseaux sans fil doit prendre en compte les paramètres suivants: (i) le taux de changement de l'environnement, (ii) le modèle de trafic, et (iii) la quantité d'informations disponibles aux émetteurs. Comme modeles mathématiques dans cet étude, nous utilisons la théorie d'optimisation et la théorie des jeux. Nous sommes particulièrement intéressés à l'allocation distribuée des ressources dans les réseaux avec des canaux à évanouissement lent et avec des informations partielles du canal aux émetteurs. Les émetteurs avec information partielle disposent d'informations exactes de leur propre canal ainsi que la connaissance statistique des autres canaux. Dans un tel contexte, le système est fondamentalement détérioré par une probabilité outage non nul. Nous proposons des algorithmes distribués à faible complexité d'allocation conjointe du débit et de la puissance visant à maximiser le "throughput" individuel.

The topic of this thesis is signaling design for data transmission through wireless channels between a transmitter and a receiver that can both be equipped with one or more antennas. In particular, the focus is on channels where the propagation coefficients between each transmitter--receiver antenna pair are only partially known or completetly unknown to the receiver and unknown to the transmitter. A standard signal design approach for this scenario is based on separate training for the acquisition of channel knowledge at the receiver and subsequent error-control coding for data detection over channels that are known or at least approximately known at the receiver. If the number of parameters to estimate in the acquisition phase is high as, e.g., in a frequency-selective multiple-input multiple-output channel, the required amount of training symbols can be substantial. It is therefore of interest to study signaling schemes that minimize the overhead of training or avoid a training sequence altogether. Several approaches for the design of such schemes are considered in this thesis. Two different design methods are investigated based on a signal representation in the time domain. In the first approach, the symbol alphabet is preselected, the design problem is formulated as an integer optimization problem and solutions are found using simulated annealing. The second design method is targeted towards general complex-valued signaling and applies a constrained gradient-search algorithm. Both approaches result in signaling schemes with excellent detection performance, albeit at the cost of significant complexity requirements. A third approach is based on a signal representation in the frequency domain. A low-complexity signaling scheme performing differential space--frequency modulation and detection is described, analyzed in detail and evaluated by simulation examples. The mentioned design approaches assumed that the receiver has no knowledge about the value of the channel coefficients. However, we also investigate a scenario where the receiver has access to an estimate of the channel coefficients with known error statistics. In the case of a frequency-flat fading channel, a design criterion allowing for a smooth transition between the corresponding criteria for known and unknown channel is derived and used to design signaling schemes matched to the quality of the channel estimate. In particular, a constellation design is proposed that offers a high level of flexibility to accomodate various levels of channel knowledge at the receiver. / QC 20101014

In this thesis, different aspects of lattice-based precoding and decoding for the transmission of digital and analog data over MIMO fading channels are investigated: 1) Lattice-based precoding in MIMO broadcast systems: A new viewpoint for adopting the lattice reduction in communication over MIMO broadcast channels is introduced. Lattice basis reduction helps us to reduce the average transmitted energy by modifying the region which includes the constellation points. The new viewpoint helps us to generalize the idea of lattice-reduction-aided precoding for the case of unequal-rate transmission, and obtain analytic results for the asymptotic behavior of the symbol-error-rate for the lattice-reduction-aided precoding and the perturbation technique. Also, the outage probability for both cases of fixed-rate users and fixed sum-rate is analyzed. It is shown that the lattice-reduction-aided method, using LLL algorithm, achieves the optimum asymptotic slope of symbol-error-rate (called the precoding diversity). 2) Lattice-based decoding in MIMO multiaccess systems and MIMO point-to-point systems: Diversity order and diversity-multiplexing tradeoff are two important measures for the performance of communication systems over MIMO fading channels. For the case of MIMO multiaccess systems (with single-antenna transmitters) or MIMO point-to-point systems with V-BLAST transmission scheme, it is proved that lattice-reduction-aided decoding achieves the maximum receive diversity (which is equal to the number of receive antennas). Also, it is proved that the naive lattice decoding (which discards the out-of-region decoded points) achieves the maximum diversity in V-BLAST systems. On the other hand, the inherent drawbacks of the naive lattice decoding for general MIMO fading systems is investigated. It is shown that using the naive lattice decoding for MIMO systems has considerable deficiencies in terms of the diversity-multiplexing tradeoff. Unlike the case of maximum-likelihood decoding, in this case, even the perfect lattice space-time codes which have the non-vanishing determinant property can not achieve the optimal diversity-multiplexing tradeoff. 3) Lattice-based analog transmission over MIMO fading channels: The problem of finding a delay-limited schemes for sending an analog source over MIMO fading channels is investigated in this part. First, the problem of robust joint source-channel coding over an additive white Gaussian noise channel is investigated. A new scheme is proposed which achieves the optimal slope for the signal-to-distortion-ratio (SDR) curve (unlike the previous known coding schemes). Then, this idea is extended to MIMO channels to construct lattice-based codes for joint source-channel coding over MIMO channels. Also, similar to the diversity-multiplexing tradeoff, the asymptotic performance of MIMO joint source-channel coding schemes is characterized, and a concept called diversity-fidelity tradeoff is introduced in this thesis.

In this thesis, different aspects of lattice-based precoding and decoding for the transmission of digital and analog data over MIMO fading channels are investigated: 1) Lattice-based precoding in MIMO broadcast systems: A new viewpoint for adopting the lattice reduction in communication over MIMO broadcast channels is introduced. Lattice basis reduction helps us to reduce the average transmitted energy by modifying the region which includes the constellation points. The new viewpoint helps us to generalize the idea of lattice-reduction-aided precoding for the case of unequal-rate transmission, and obtain analytic results for the asymptotic behavior of the symbol-error-rate for the lattice-reduction-aided precoding and the perturbation technique. Also, the outage probability for both cases of fixed-rate users and fixed sum-rate is analyzed. It is shown that the lattice-reduction-aided method, using LLL algorithm, achieves the optimum asymptotic slope of symbol-error-rate (called the precoding diversity). 2) Lattice-based decoding in MIMO multiaccess systems and MIMO point-to-point systems: Diversity order and diversity-multiplexing tradeoff are two important measures for the performance of communication systems over MIMO fading channels. For the case of MIMO multiaccess systems (with single-antenna transmitters) or MIMO point-to-point systems with V-BLAST transmission scheme, it is proved that lattice-reduction-aided decoding achieves the maximum receive diversity (which is equal to the number of receive antennas). Also, it is proved that the naive lattice decoding (which discards the out-of-region decoded points) achieves the maximum diversity in V-BLAST systems. On the other hand, the inherent drawbacks of the naive lattice decoding for general MIMO fading systems is investigated. It is shown that using the naive lattice decoding for MIMO systems has considerable deficiencies in terms of the diversity-multiplexing tradeoff. Unlike the case of maximum-likelihood decoding, in this case, even the perfect lattice space-time codes which have the non-vanishing determinant property can not achieve the optimal diversity-multiplexing tradeoff. 3) Lattice-based analog transmission over MIMO fading channels: The problem of finding a delay-limited schemes for sending an analog source over MIMO fading channels is investigated in this part. First, the problem of robust joint source-channel coding over an additive white Gaussian noise channel is investigated. A new scheme is proposed which achieves the optimal slope for the signal-to-distortion-ratio (SDR) curve (unlike the previous known coding schemes). Then, this idea is extended to MIMO channels to construct lattice-based codes for joint source-channel coding over MIMO channels. Also, similar to the diversity-multiplexing tradeoff, the asymptotic performance of MIMO joint source-channel coding schemes is characterized, and a concept called diversity-fidelity tradeoff is introduced in this thesis.

In practice, a communication system works with finite blocklength codes because of the delay constraints and the information-theoretic bounds which are proposed for finite blocklength systems can be exploited to determine the performance of a designed system. In this thesis, achievable rates for given average error probabilities are considered for finite blocklength systems. Although classical bounds can be used to upper bound the error probability, these bounds require the optimization of auxiliary variables. In this work, a bound which is called the dependence testing (DT) bound that is free of any auxiliary variables is exploited. The DT bound is evaluated by introducing a normal approximation to the information density. Simulations carried out both for the Gaussian and discrete input alphabets show the proposed approximation enables very good prediction of the achievable rates. The proposed approximation is also used to calculate the average error probability for block fading channels. Simulations performed for Rayleigh block fading channels demonstrate that the total blocklength of the system in addition to the number of fading blocks should be accounted for especially when the number of fading blocks is large. A power allocation problem in block fading channels when the channel state information is available to the transmitting side is investigated in the final part of this work. The DT bound is optimized for a given channel state vector by allocating different power levels to each fading block by exploiting short-term power allocation. A simple power allocation algorithm is proposed which comes out with very similar results compared with the analytically computed values.

<p>The topic of this thesis is signaling design for data transmission through wireless channels between a transmitter and a receiver that can both be equipped with one or more antennas. In particular, the focus is on channels where the propagation coefficients between each transmitter--receiver antenna pair are only partially known or completetly unknown to the receiver and unknown to the transmitter.</p><p>A standard signal design approach for this scenario is based on separate training for the acquisition of channel knowledge at the receiver and subsequent error-control coding for data detection over channels that are known or at least approximately known at the receiver. If the number of parameters to estimate in the acquisition phase is high as, e.g., in a frequency-selective multiple-input multiple-output channel, the required amount of training symbols can be substantial. It is therefore of interest to study signaling schemes that minimize the overhead of training or avoid a training sequence altogether.</p><p>Several approaches for the design of such schemes are considered in this thesis. Two different design methods are investigated based on a signal representation in the time domain. In the first approach, the symbol alphabet is preselected, the design problem is formulated as an integer optimization problem and solutions are found using simulated annealing. The second design method is targeted towards general complex-valued signaling and applies a constrained gradient-search algorithm. Both approaches result in signaling schemes with excellent detection performance, albeit at the cost of significant complexity requirements.</p><p>A third approach is based on a signal representation in the frequency domain. A low-complexity signaling scheme performing differential space--frequency modulation and detection is described, analyzed in detail and evaluated by simulation examples.</p><p>The mentioned design approaches assumed that the receiver has no knowledge about the value of the channel coefficients. However, we also investigate a scenario where the receiver has access to an estimate of the channel coefficients with known error statistics. In the case of a frequency-flat fading channel, a design criterion allowing for a smooth transition between the corresponding criteria for known and unknown channel is derived and used to design signaling schemes matched to the quality of the channel estimate. In particular, a constellation design is proposed that offers a high level of flexibility to accomodate various levels of channel knowledge at the receiver.</p>

Στην απαρχή της καινούριας χιλιετίας, έχει γίνει πλέον ξεκάθαρος ο σπουδαίος ρόλος και η χρησιμότητα των ασυρμάτων τηλεπικοινωνιών και των εφαρμογών τους, η εξέλιξη των οποίων επικεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό στις Ασύρματες Προσωπικές Τηλεπικοινωνίες (ΑΠΤ). Εξαιτίας της μεγάλης δημοτικότητας που έχουν τα συστήματα αυτά, υπάρχει συνεχής ανάγκη για αύξηση της χωρητικότητας και αναβάθμιση των παρεχόμενων υπηρεσιών ϕωνής και δεδομένων. Μια πολύ σημαντική περιοχή έρευνας για τις ΑΠΤ, που έχει προκύψει από τις παραπάνω απαιτήσεις, είναι η μελέτη και η αντιμετώπιση των προβλημάτων που δημιουργούνται στην επίδοση των δικτύων αυτών από διάφορα ϕαινόμενα που επιδρούν στο ασύρματο κανάλι. Σε αυτήν την ερευνητική περιοχή εστιάζεται και η παρούσα διδακτορική διατριβή, που έχει ως στόχο τη ϑεωρητική μελέτη της επίδοσης ασύρματων ψηφιακών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων τα οποία υπόκεινται σε διαλείψεις. Για την καταπολέμηση των αρνητικών συνεπειών των διαλείψεων έχει υιοθετηθεί η τεχνική του διαφορισμού στο δέκτη. Σύμφωνα με αυτήν, ο δέκτης διαθέτει περισσότερες από μια κεραίες λήψης με αποτέλεσμα να λαμβάνει πολλαπλά αντίγραφα του εκπεμπόμενου σήματος, τα οποία συνδυάζει κατάλληλα ανάλογα με τις απαιτήσεις του διαχειριστή του δικτύου. Η διεθνής έρευνα για τη χρήση δεκτών διαφορισμού σε κανάλια Διαλείψεων Μικρής Κλίμακας (ΔΜΙΚ) είναι εκτενής και αφορά κυρίως κανάλια που βασίζονται στις κατανομές Rayleigh, Rice και Nakagamim. Δύο άλλες σημαντικές κατανομές για τη μοντελοποίηση των ΔΜΙΚ είναι η Weibull και, η γενίκευση της, η Γενικευμένη-Γάμα (ΓG), οι οποίες σε σύντομο χρονικό διάστημα έχουν κερδίσει εκτεταμένο επιστημονικό ενδιαφέρον στην περιοχή των ασύρματων κινητών τηλεπικοινωνιών. ΄Ομως, παρά το ενδιαφέρον αυτό, η μελέτη της επίδοσης δεκτών διαφορισμού σε κανάλια που μοντελοποιούνται με τις κατανομές αυτές, δεν έχει λάβει τις διαστάσεις που έχουν λάβει οι αντίστοιχες έρευνες για τις άλλες κατανομές. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στη μεγάλη πολυπλοκότητα, από μαϑηματικής άποψης, που παρουσιάζει η στατιστική αναπαράσταση του σήματος της εξόδου πολλών τύπων δεκτών διαφορισμού που σε συνδυασμό με τη σχετικά σύνθετη μαθηματική έκφραση των κατανομών Weibull και ΓG, δημιουργεί δυσεπίλυτα προβλήματα. Στην παρούσα διατριβή, προσπερνώντας αυτές τις δυσκολίες, αρχικά μελετήθηκε η απόδοση μιας ειδικής κατηγορίας δεκτών διαφορισμού, του δέκτη Συνδυασμού Γενικευμένης Επιλογής (ΣΓΕ), ο οποίος λειτουργεί σε Ανεξάρτητα αλλά Μη-Ομοιόμορφα Κατανεμημένα (ΑΜΟΚ) κανάλια διαλείψεων Weibull. Σε αυτήν τη μελέτη εξετάζεται η περίπτωση όπου επιλέγονται οι δύο κλάδοι με το υψηλότερο λόγο σήματος προς ϑόρυβο, Signal to Noise Ratio (SNR), από τους L διαθέσιμους, ΣΓΕ(2, L). Κατά συνέπεια, με την παρουσίαση μιας καινούριας ιδιότητας για το γινόμενο των ροπών ταξινομημένων Τυχαίων Μεταβλητών (ΤΜ) Weibull, γίνεται δυνατή η εξαγωγή εκφράσεων κλειστής μορφής για τις ροπές του SNR στην έξοδο των δεκτών ΣΓΕ(2, L). Χρησιμοποιώντας αυτές τις εκφράσεις δίνονται, σε κλειστή μορφή επίσης, σημαντικά κριτήρια επίδοσης όπως είναι ο Μέσος Λόγος Σήματος προς Θόρυβο (ΜΛΣΘ) και η Ποσότητα των Διαλείψεων (ΠΔ). Επιπλέον, με την εφαρμογή της ϑεωρίας των προσεγγιστών Pad´e και της προσέγγισης μέσω της Ροπο-Γεννήτριας Συνάρτησης (ΡΓΣ), γίνεται δυνατή η μελέτη της Πιθανότητας Διακοπής της Επικοινωνίας (ΠΔΕ) και της Μέσης Πιθανότητας Σφάλματος Bit (ΜΠΣΒ) του συστήματος. Στη συνέχεια, υποθέτοντας Ανεξάρτητα και Ομοιόμορφα Κατανεμημένα (ΑΟΚ) κανάλια διαλείψεων ΓG, παρουσιάστηκε σε κλειστή μορφή έκφραση για τις ροπές του SNR στην έξοδο των δεκτών ΣΓΕ(2, L), ενώ η ΡΓΣ και η Αθροιστική Συνάρτηση Κατανομής (ΑΣΚ) εξήχθησαν υπό τη μορφή απειροσειρών. Χρησιμοποιώντας αυτές τις εκφράσεις απλοποιείται σημαντικά η μελέτη των κριτηρίων επίδοσης της ΠΔΕ και της ΜΠΣΒ. Επιπλέον, παρουσιάστηκε η χωρητικότητα του καναλιού ΓG με τη χρήση ή όχι δεκτών διαφορισμού, με βάση πολύ γνωστές τεχνικές προσαρμογής της εκπομπής. Μια άλλη πολύ σημαντική ερευνητική περιοχή που αφορά τα κανάλια διαλείψεων και επηρεάζει σημαντικά την επίδοση των ασύρματων ψηφιακών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που λειτουργούν σε αυτά, είναι το σύνθετο περιβάλλον διάδοσης που δημιουργείται όταν οι ΔΜΙΚ συνυπάρχουν με Διαλείψεις Μεγάλης Κλίμακας (ΔΜΕΚ). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αυτό το περιβάλλον διάδοσης μοντελοποιείται με τις σύνθετες κατανομές K και γενικευμένη-K (KG). Αυτές οι κατανομές είναι αρκετά γενικές, αλλά ταυτόχρονα και μαθηματικά ευέλικτες, και έχει διαπιστωθεί ότι είναι κατάλληλες για τη μοντελοποίηση των συνθηκών του καναλιού που προκύπτει όταν οι ΔΜΙΚ συμβαίνουν ταυτόχρονα με ΔΜΕΚ. Στην περίπτωση της κατανομής KG, εξάγονται σημαντικά στατιστικά χαρακτηριστικά του SNR στην έξοδο των δεκτών διαφορισμού Συνδυασμού Μεγίστου Λόγου (ΣΜΛ), Συνδυασμού ΄Ισης Απολαβής (ΣΙΑ), Συνδυασμού Μεταγωγής και Παραμονής (ΣΜΠ) και του δέκτη Διαφορισμού Επιλογής (ΔΕ). Χρησιμοποιώντας αυτές τις εκφράσεις και υποθέτωντας ΑΜΟΚ συνθήκες διαλείψεων του καναλιού KG, εξάγονται σε κλειστή μορφή τα κριτήρια επίδοσης ΜΛΣΘ, ΠΔΕ και ΠΔ. Επιπλέον, ακολουθώντας την προσέγγιση που βασίζεται στη ΡΓΣ για τους δέκτες ΣΜΛ και ΣΜΠ και τους προσεγγιστές Pad´e για τους δέκτες ΣΙΑ και ΔΕ μελετάται η ΜΠΣΒ. Για την περίπτωση της κατανομής K, υποθέτωντας επιπλέον συσχετισμένες ΤΜ, παρουσιάζεται και μελετάται η συσχετισμένη (δι-μεταβαλλόμενη) κατανομή K, η οποία χαρακτηρίζεται από μη ομοιόμορφους παράγοντες μορφοποίησης και κλίμακας. Η σύνθετη αυτή κατανομή είναι βολική για τη μοντελοποίηση του συσχετισμένου περιβάλλοντος διαλείψεων/σκίασης, όταν η συσχέτιση μεταξύ των πλατών των σημάτων και της ισχύος τους είναι διαφορετική. Για αυτήν την κατανομή, εξάγονται γενικές εκφράσεις με απειροσειρές για τη Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας (ΣΠΠ), την ΑΣΚ και τις από κοινού ροπές. Υποθέτοντας ομοιόμορφους παράγοντες κλίμακας και ασυσχέτιστη ισχύ σημάτων, παρέχονται απλούστερες εκφράσεις για τη ΣΠΠ, την ΑΣΚ και τη χαρακτηριστική συνάρτηση, ενώ οι από κοινού ροπές εξάγονται σε κλειστή μορφή. Επιπλέον, βασιζόμενοι σε αυτές τις ϑεωρητικές εκφράσεις της δι-μεταβαλλόμενης κατανομής K, παρουσιάζεται η ανάλυση της επίδοσης σημαντικών δεκτών διαφορισμού, όπως είναι οι δέκτες ΣΜΛ, ΣΙΑ και ΔΕ οι οποίοι λειτουργούν σε συσχετισμένα κανάλια διαλείψεων K. Για το δέκτη ΔΕ μελετάται η ΠΔΕ, ενώ για τους δέκτες ΣΜΛ και ΣΙΑ η ΜΠΣΒ. Γενικά η προτεινόμενη ανάλυση συνοδεύεται από αριθμητικά αποτελέσματα, τα οποία επιδεικνύουν ξεκάθαρα τη χρησιμότητα και την ευελιξία της ϑεωρητικής προσέγγισης. Τα αριθμητικά αυτά αποτελέσματα περιλαμβάνουν σύγκριση της επίδοσης διαφορετικών δεκτών διαφορισμού, συνθηκών καναλιού και τεχνικών διαμόρφωσης. / At the beginning of the new millennium, it becomes totaly clear the important role and usefulness of the wireless communication systems and their applications, which continue to evolute in several areas including Personal Communication Services (PCS). In this context there is a continuing demand for increased capacity and integration of the provided services, such as voice, data and other types of traffic, over radio channels. One of the key technical problem areas that has emerged out is the requirement for determining the fading effects on network performance. This also the research area of the current Philosophy diploma, which aims to the theoretical study of the performance analysis of wireless communication systems, which are subject to fading. The current study has employed diversity reception as a fading mitigation technique. According to this technique, the receiver employs more than one antennae, in order to receive multiple copies of the transmitted signal. Hence, these copies are appropriate combined in order to satisfy network administrator demands. The technical literature concerning diversity reception techniques over fading channels is quite extensive. However, it deals mainly with fading channels, which are based on Rayleigh, Rice, and Nakagami-m distributions. Additionally, important distributions for modeling small scale fading are also the Weibull and, its generalization, the generalized-gamma (ΓG), which have recently gained an increased scientific interest in the wireless mobile communication area. However, the performance analysis of diversity receivers operating over fading channels, modeled by these distributions, has not been thoroughly investigated. Reasons for that include the composite statistical representation of several diversity receivers output in conjunction with the quite complicated mathematical expressions of the Weibull and/or ΓG distributions. In this thesis, by overcoming these difficulties the performance of a class of Generalized-Selection Combining (GSC) receivers operating over independent but non identically distributed Weibull fading channels is studied. The case where the two branches with the largest instantaneous Signal-to-Noise Ratio (SNR) are selected, from a total of L available GSC(2, L), is considered. By introducing a novel property for the product of moments of ordered Weibull Random Variables (RV), convenient closed form expressions for the moments of the GSC(2, L) output SNR are derived. Using these expressions, important performance criteria, such as average output SNR and amount of fading (AF ), are obtained in closed form. Furthermore, employing the Pad´e approximants theory and the Moment-Generating Function (MGF)-based approach, outage and bit-error rate performances are studied. Additionally, by considering independent and identical distributed (iid) ΓG fading channels, the moments of the output SNR of the GSC(2, L) receivers were derived, also, in closed form, while infinite series representations were obtained for the MGF and the Cumulative Distribution Function (CDF). Using these expressions, a simplified study of the Outage Probability (OP) and Average Bit Error Probability (ABEP) performance criteria can be performed. Moreover, the capacity of the ΓG fading channel, using different adaptation policies, is also studied, with and without diversity reception. Another important research issue concerning the performance analysis of wireless digital communications systems operating over fading channels, is the composite propagation environment arising in cases where fading is superimposed on shadowing. In the current thesis this propagation environment is modeled by the K and generalized-K (KG) composite distributions. These distributions are quite general and mathematical versatile, and have been found to be appropriate for accurately modeling the channel conditions when fading occurs simultaneously with shadowing. For the KG distribution, expressions for important statistical metrics of the output SNR for the Selection Diversity (SD) receiver and Maximal Ratio Combining (MRC), Equal Gain Combining (EGC), and Switch and Stay Combining (SSC) diversity receivers are derived. Using these expressions and by considering independent but not necessarily identical distributed fading channel conditions, performance criteria, such as average output SNR, AF and OP are obtained in closed form. Moreover, following the MGFbased approach for MRC and SSC receivers, and the Pad´e approximants theory for SD and EGC receivers, the ABEP is also studied. For the case of the K distribution, assuming correlated RVs, the correlated (bivariate) K distribution, with not necessarily identical shaping and scaling parameters, is introduced and studied. This composite distribution is convenient for modeling multipath/shadowing correlated fading environments when the correlations between the signal envelopes and their powers are different. For this distribution, generic infinite series representations are derived for the Probability Density Function (PDF), the CDF and the joint moments. Assuming identical shaping parameters and uncorrelated signal powers, simpler expressions for the PDF, CDF and the Characteristic Function (CF) are provided, while the joint moments are derived in closed form. Capitalizing on these theoretical expressions for the statistical characteristics of the correlated K distribution, the performance analysis of various diversity reception techniques, such as MRC, EGC and SD, over bivariate K fading channels is presented. For the SD, the outage probability is studied, while for the MRC and EGC the ABEP is obtained. In general the proposed analysis is accompanied by several numerical evaluated results, clearly demonstrating the usefulness and flexibility of the theoretical approach. These numerical results include performance comparisons of several diversity receiver structures, employing various modulation formats and different channel conditions.

Η εργασία αυτή ασχολείται με το πρόβλημα της εκτίμησης καναλιού σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Το πρόβλημα αυτό συγκεντρώνει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, καθώς συναντάται σε ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών. Η άγνωστη συνάρτηση μεταφοράς του καναλιού στα ασύρματα συστήματα μετάδοσης, καθιστά απαραίτητη την εκτίμησή του πριν από οποιαδήποτε διαδικασία μετάδοσης. Στη συγκεκριμένη μεταπτυχιακή εργασία, αντικείμενο εξέτασης αποτελεί η επίδραση καναλιού με μη γραμμικά χαρακτηριστικά σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Αρχικά, παρουσιάζεται ένας βελτιωμένος αλγόριθμος εκτίμησης καναλιού, ο οποίος βασίζεται σε ένα παραμετρικό μοντέλο. Η απόκριση συχνότητας του καναλιού εκτιμάται χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο με L μονοπάτια. Γίνεται χρήση της μεθόδου ESPRIT για την αρχική εκτίμηση των πολυδρομικών καθυστερήσεων, ενώ η διαδικασία παρακολούθησης γίνεται με την τεχνική IPIC DLL. Με γνωστή την πληροφορία για τις πολυδρομικές καθυστερήσεις, εκτιμάται η απόκριση του καναλιού στο πεδίο της συχνότητας με τη μέθοδο του ελαχίστου μέσου τετραγωνικού σφάλματος. Ιδιαίτερης μνείας χρήζει το κριτήριο MDL (Minimum Description Length) που χρησιμοποιείται για την εύρεση των ενεργών μονοπατιών του καναλιού. Σύμφωνα με το κριτήριο, υπολογίζεται ο ιδιοχώρος, δηλαδή οι ιδιοτιμές και τα ιδιοδιανύσματα, του πίνακα αυτοσυσχέτισης του καναλιού. Ο ιδιοχώρος αυτός εμφανίζει ιδιαίτερη δομή και μπορεί να αναλυθεί σε κάθετους μεταξύ τους υποχώρους: τον υποχώρο του σήματος (signal subspace) και αυτόν του θορύβου (noise subspace). Έχει αποδειχθεί ότι η χρήση παραμετρικού μοντέλου καναλιού μπορεί να μειώσει δραστικά τις διαστάσεις του υποχώρου του σήματος και κατά συνέπεια να βελτιώσει την απόδοση της εκτίμησης του καναλιού. Στη συνέχεια εξετάζεται η δυνατότητα εφαρμογής του αλγόριθμου PAST κατά τη διαδικασία παρακολούθησης των πολυδρομικών καθυστερήσεων και η σύγκρισή του με την απόδοση του IPIC DLL. Ο αλγόριθμος PAST έχει χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα καθώς στηρίζεται σε αναδρομικές τεχνικές παρακολούθησης του ιδιοχώρου. Στα πλαίσια της μεταπτυχιακής εργασίας έγινε συγκριτική μελέτη των τεχνικών εκτίμησης καναλιού σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά των κυριότερων αλγορίθμων της βιβλιογραφίας και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων σε περιβάλλον MATLAB. Με βάση τη θεωρητική μελέτη των μεθόδων εκτίμησης και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, εξάγονται συμπεράσματα για τη βελτίωση της απόδοσης που παρουσιάζουν σε σχέση με τις μη παραμετρικές τεχνικές. Τέλος, υλοποιήθηκε ένας νέος αλγόριθμος για την εύρεση του υποχώρου του σήματος, ο οποίος βελτιώνει σημαντικά την απόδοση του κριτηρίου MDL. / The basic concept in this thesis is the problem of Channel Estimation in multipath fading chanels. The method we use is based on parametric channel modeling. Firstly, we use the MDL (Minimum Descreption Length) criterium in order to estimate the number of paths in the channel. Next the ESPRIT method calculates the Time Delays for every estimated path. The second part of the algorithm is used for tracking of time delays. We firstly use an IPIC DLL (InterPath Interference Cancellation Delay Locked Loop) technique and then the path gains are calculated via a MMSE estimator. There is also a study in Subspace Tracking problem. We use the PAST and PASTd algorithms to calculate the signal subspace for every OFDM symbol transmited. The two techniques we described increase the SER performance of the non parametric channel estimator by 2dB and the MSE performance by 5dB. We also describe a new algorithm which has better performance than the MDL criterium.