Στη διπλωματική αυτή εργασία ερευνάται η χρήση του WiMax σε ένα περιβάλλον εσωτερικού χώρου. Πιο συγκεκριμένα, μελετάμε τη συμπεριφορά και την απόδοση ενός καναλιού συχνότητας ίδιας με εκείνη στην οποία λειτουργεί το WiMax. Η έρευνα γίνεται με βάση κάποια μοντέλα, τα οποία περιγράφουν εμπειρικά ή ημι-εμπειρικά τη συμπεριφορά της ασύρματης διάδοσης σε διάφορους χώρους. Στο Κεφάλαιο 1, γίνεται μία σύντομη εισαγωγή στις ασύρματες επικοινωνίες και μία γενική ανασκόπηση των κατηγοριών και εφαρμογών της. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται το πρότυπο 802.11. Αναλύεται η δομή, η λειτουργία, η ασφάλεια και οι εφαρμογές του Wi-Fi και παρουσιάζονται οι υποκατηγορίες του προτύπου. Κατ΄ αντιστοιχία, το κεφάλαιο 3 αναφέρεται στο πρότυπο 802.16, όπου παρουσιάζονται οι καινοτομίες που εισάγονται, οι νέες τεχνολογίες μετάδοσης, οι εφαρμογές και τα κύρια χαρακτηριστικά του WiMax. Με βάση τα όσα αναφέρονται στα κεφάλαια 2 και 3, στο κεφάλαιο 4 γίνεται η σύγκριση των δύο τεχνολογιών. Προχωρώντας στο πρακτικό μέρος της εργασίας, έχουμε στο κεφάλαιο 5 την παρουσίαση των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων μετάδοσης που επηρεάζουν την ασύρματη μετάδοση και που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη σε οποιαδήποτε μελέτη ασύρματου δικτύου. Το κεφάλαιο κλείνει με την αναφορά και τη μαθηματική περιγραφή των μοντέλων που θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η σύγκριση των πειραματικών δεδομένων με αυτά που προκύπτουν θεωρητικά. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται γραφικά και υπολογίζονται τα σφάλματα των υπολογισμών. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 εξάγονται τα γενικά συμπεράσματα της εργασίας. / The thesis begins with a small introduction on wireless communications focusing mainly on its categories and functionality. In chapter 2 the standard 802.11, known as Wi-Fi, is presented starting with the structure and main functions and finalizing with the subcategories and safety issues of the standard. Similarly, chapter 3 contains a detailed analysis of the 802.16 standard, where new technologies in information encoding and signal transmission improve the quality of service, range and safety of wireless communication. Based on chapters 2 and 3, chapter 4 presents the comparison of the two technologies. Chapter 5 contains a thorough presentation of the electromagnetic effects that we need to consider when studying the propagation of the wireless channel. The chapter ends with a reference and mathematical definition of the models that are used in the next part of the thesis: the comparison of the estimated values of received power to those that were actually measured. All measurements took place at the Laboratory of Wireless Communications of the department of Electrical and Computer Engineering at the University of Patras. Finally, chapter 7 summarizes the above presenting the conclusions of the experiment.

Η εργασία που ακολουθεί έχει ως σκοπό την μοντελοποίηση ενός ασύρματου καναλιού σε εσωτερικό χώρο. Πιο συγκεκριμένα θα προσπαθήσουμε να βρούμε την κατανομή της ισχύος εντός του χώρου θεωρώντας πως έχουμε εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από δίκτυο wifi που εκπέμπει στα 2.4 GHz. Προκειμένου να μοντελοποιήσουμε το ασύρματο κανάλι μας είμαστε υποχρεωμένοι να γνωρίζουμε τα σημαντικότερα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την ασύρματη διάδοση, αυτά παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 1. Επιπλέον μιας και αναφερόμαστε σε δίκτυα wifi θεωρείται αναγκαίο να καταγράψουμε τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά αυτής της τεχνολογίας κάτι που γίνεται στο κεφάλαιο 2 αυτής της διπλωματικής εργασίας. Στη συνέχεια στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται τα σημαντικότερα μοντέλα εσωτερικού χώρου για την εύρεση της μέσης ισχύς της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συναρτήσει της απόστασης ,ενώ τέλος στο κεφάλαιο 4 γίνεται η προσπάθεια για την μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού χρησιμοποιώντας τη θεωρία των Rayleigh και Rician διαλείψεων. / The work that follows is intended to model a wireless channel to the inner space . In particular we will try to find the distribution of power within the area that we are considering emission of electromagnetic radiation from wifi network emitting at 2.4 GHz. In order to model the wireless channel we have to know the important events that occur during wireless propagation ,these are presented in Chapter 1. Moreover since referring to wifi networks is considered necessary to record the important features of this technology which is in Chapter 2 of this thesis . Then in Chapter 3 presents the major indoor models to find the average power of electromagnetic radiation as a function of distance, and finally in Chapter 4 is the attempt to model the wireless channel using the theory of Rayleigh and Rician misfire .

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και η παρουσίαση της μεθόδου πολύπλεξης OFDM. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στα ασύρματα κανάλια επικοινωνίας. Παρουσιάζεται το κανάλι πολλαπλής διόδευσης με διαλείψεις (multipath fading), καθώς και το μοντέλο βασικής ζώνης του ασύρματου συστήματος. Η αναφορά σε φυσικές παραμέτρους του καναλιού, όπως η συνοχή στο χρόνο (coherence time) και η συνοχή εύρους ζώνης (coherence bandwidth), καθώς και σε έννοιες όπως η εξάπλωση Doppler (Doppler spread) και η εξάπλωση καθυστέρησης (delay spread), οδηγεί στην κατηγοριοποίηση των ασύρματων καναλιών. Επίσης παρουσιάζονται διάφορα στατιστικά μοντέλα για το κανάλι πολλαπλής διόδευσης με διαλείψεις. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται μέθοδοι ανίχνευσης και διαφοροποίησης (diversity). Η διαφοροποίηση είναι ένας τρόπος βελτίωσης της απόδοσης της μετάδοσης μέσω καναλιού. Παρουσιάζονται δυο είδη ανίχνευσης: Η σύμφωνη ανίχνευση, όπου ο δέκτης έχει γνώση του καναλιού και η μη σύμφωνη ανίχνευση, όπου ο δέκτης δε γνωρίζει το κανάλι και συγκρίνονται οι πιθανότητες σφάλματος κάθε περίπτωσης. Επίσης μελετώνται τρία είδη διαφοροποίησης: η διαφοροποίηση στο χρόνο, στο χώρο και στη συχνότητα. Βασική αρχή της μεθόδου OFDM, η οποία αναλύεται εκτενώς στο 4ο κεφάλαιο, είναι η ταυτόχρονη μετάδοση πολλών ροών σε χαμηλό ρυθμό σε περισσότερες από μια υποφέρουσες αντί για μετάδοση μιας ροής με γρήγορο ρυθμό σε όλο το φάσμα. Η OFDM αποτελεί μέθοδο διαμόρφωσης, αλλά και πολυπλεξίας. Γίνεται εκτενής αναφορά στο μαθηματικό υπόβαθρο της διαμόρφωσης OFDM και παρουσιάζονται τρόποι αντιμετώπισης τόσο της διασυμβολικής όσο και της διακαναλικής παρεμβολής. Η διασυμβολική παρεμβολή αντιμετωπίζεται με την κυκλική επέκταση του συμβόλου OFDM, ενώ η διακαναλική παρεμβολή με τη χρήση ορθογώνιων υποφερουσών. Επίσης παρουσιάζεται η τεχνική windowing. Τέλος, αναφέρονται βασικές παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη για τη σχεδίαση συστημάτων OFDM, όπως ο αριθμός υποφερουσών, ο χρόνος φύλαξης (guard time), η διάρκεια συμβόλου, το εύρος ζώνης (bandwidth), και ο ρυθμός μετάδοσης (bit rate). Στο Κεφάλαιο 5 προσομοιώνεται ένα σύστημα OFDM σε διάφορα περιβάλλοντα μετάδοσης (διάφορα είδη καναλιών). Παρατίθενται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και γίνεται αποτίμηση και σύγκριση, για την εξαγωγή συμπερασμάτων. / The main objective of this Diploma thesis is a comprehensive presentation of the OFDM method. In Chapter 2, the wireless channel is presented, multipath fading is described, and the baseband equivalent of the wireless system is introduced. The consideration of physical parameters such as the coherence time, the coherence bandwidth, the Doppler spread and the delay spread leads to a categorization of wireless channels. Several statistical models for multipath fading are also surveyed. Chapter 3 introduces detection and diversity techniques. Diversity can be used to improve the performance of transmission over the channel. There are two types of detection: coherent and non-coherent. In coherent detection, in contrast to non- coherent, the receiver has full knowledge of the channel. Moreover, three diversity techniques are studied: time, space and frequency diversity. In Chapter 4, the basics of OFDM are presented. OFDM is a special case of multicarrier transmission, where a single data stream is transmitted over a number of lower-rate subcarriers. It is also a combination of modulation and multiplexing. It is explained how an OFDM signal is formed, how cyclic extension helps mitigate Inter-Symbol Interference (ISI), and how orthogonality between the modulated subcarriers eliminates Inter Channel Interference (ICI) in the absence of frequency offsets. Windowing is also presented. Basic design rules are given on how to choose the OFDM parameters, such as the guard time, the symbol duration, the bandwidth, and the bit rate. Finally, an OFDM system is simulated in Chapter 5. The simulations take place in different channel environments. The results of the simulations are compared, in order to draw conclusions.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται τεχνικές διαχείρισης πόρων και μετάδοσης σε ασύρματα συστήματα επικοινωνιών. Συγκεκριμένα, γίνεται μελέτη του διαφορισμού και αναλύονται τα οφέλη που παρουσιάζει η χρήση του στη βελτίωση της αξιοπιστίας της επικοινωνίας κατά τη μετάδοση στο ασύρματο κανάλι. Αρχικά, εισάγεται το μοντέλο του ασύρματου καναλιού και αναλύονται τα προβλήματα που προκύπτουν κατά τη μετάδοση μέσω της μελέτης του φαινομένου των διαλείψεων. Στη συνέχεια, μελετάται η απόδοση ασύρματων συστημάτων που διαθέτουν μία κεραία σε πομπό και δέκτη (SISO) για μετάδοση στα κανάλια Λευκού Προσθετικού Γκαουσιανού Θορύβου (AWGN) και επίπεδων διαλείψεων Rayleigh. Ακολουθεί η ανάλυση της έννοιας του διαφορισμού και των εφαρμογών του. Συγκεκριμένα, μελετάται η χρήση του διαφορισμού στον πομπό ή/και στο δέκτη μέσω της μεταβολής του πλήθους των κεραιών. Αρχικά, παρουσιάζονται τεχνικές όπως ο Συνδυασμός Μεγίστου Λόγου (MRC) και ο Συνδυασμός Επιλογής (SC) που χρησιμοποιούνται σε συστήματα με μία κεραία στον πομπό και πολλές κεραίες στο δέκτη (SIMO). Στη συνέχεια, εξετάζονται τα συστήματα με πολλές κεραίες στον πομπό και μία κεραία στο δέκτη (MISO) μέσω της ανάλυσης των τεχνικών της Μετάδοσης Μεγίστου Λόγου (MRT) και της χωροχρονικής κωδικοποίησης Alamouti. Τέλος, γίνεται μελέτη των συστημάτων με πολλές κεραίες σε πομπό και δέκτη (MIMO). Περιγράφεται η ορθογωνοποίηση του καναλιού ΜΙΜΟ με τη χρήση SVD και γίνεται αναφορά στην αρχιτεκτονική V-BLAST. Επίσης, εξετάζονται διάφορα είδη ισοσταθμιστών για την ανίχνευση των δεδομένων που μεταδίδονται, όπως ο Αποσυσχετιστής ή Δέκτης Επιβολής Μηδενισμών (ZF) και το φίλτρο Ελάχιστου Μέσου Τετραγωνικού Σφάλματος (MMSE), καθώς και η μέθοδος Διαδοχικής Ακύρωσης Παρεμβολής (SIC) που εφαρμόζεται στα δύο παραπάνω είδη ισοσταθμιστών. / The topic of this thesis is the study of resource management and transmission techniques for wireless communication systems. Specifically, the notion of diversity is presented by examining the benefits of its use in the improvement of the reliability of communication in wireless transmission. First, the system model of the wireless channel is introduced and the transmission problems are examined by focusing on the fading effect. Moreover, the performance of wireless systems with one antenna at both the transmitter and the receiver (SISO) is evaluated for transmission over the AWGN and the flat-fading Rayleigh channel. The study of SISO systems is followed by the description of diversity and its applications. Specifically, the use of diversity at the transmitter or/and at the receiver by changing the number of antennas is examined. First, transmission techniques for systems with one transmit antenna and multiple receive antennas (SIMO) are analyzed, like Maximal Ratio Combining (MRC) and Selective Combining (SC). In addition, the Maximum Ratio Transmission (MRT) and the Alamouti space-time coding techniques are described, which are used in systems with multiple transmit antennas and one receive antenna (MISO). Finally, systems with multiple transmit and receive antennas are analyzed. The Singular Value Decomposition (SVD) technique and the V-BLAST architecture are described. Moreover, different types of equalizers for the detection of the transmitted data are presented, like the decorrelator or Zero Forcing (ZF) equalizer and the Minimum Mean Square Error (MMSE) equalizer, together with the Successive Interference Cancellation (SIC) method, which can be applied at both the aforementioned equalizers.

Η βελτιστοποίηση των συστημάτων επικοινωνίας πολλαπλών εισόδων-εξόδων (MIMO) απαιτεί τη δοκιμή τους υπό ρεαλιστικές συνθήκες και σε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα. Η δοκιμή απ’ ευθείας σε πραγματικά ασύρματα περιβάλλοντα δεν είναι αποδοτική μέθοδος, ειδικά κατά τα στάδια της σχεδίασης και του ελέγχου σωστής λειτουργίας, καθώς το κανάλι είναι πολύ ευαίσθητο, μη ελέγξιμο και μη αιτιατό. Επιπροσθέτως, η δοκιμή σε πραγματικά κανάλια δεν είναι πρακτική μέθοδος όταν χρειάζεται να δοκιμάσουμε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα ή να συμπεριληφθεί η κίνηση μέσα στις δοκιμές. Η δημιουργία ρεαλιστικών μοντέλων για κανάλια, χρησιμοποιώντας εργαλεία λογισμικού (Software) είναι μια δεύτερη επιλογή η οποία όμως δεν παράγει αποτελέσματα σε πραγματικό χρόνο και είναι επιπρόσθετα αρκετά χρονοβόρα. Ο λόγος είναι ότι αφού παραχθούν οι συντελεστές του καναλιού στο λογισμικό, η συνέλιξη των συντελεστών αυτών που συνιστούν την κρουστική απόκριση του καναλιού με τα μεταδιδόμενα σήματα είναι μια σχετικά αργή διαδικασία που θέτει φραγμούς στην εξομοίωση πραγματικού χρόνου. Σε κάποια συστήματα δοκιμών βασισμένα σε λογισμικό, τα διαμορφωμένα δεδομένα και τα διαλείπτοντα σήματα συντίθεται ώστε να δημιουργήσουν μιγαδικές (I/Q) κυματομορφές οι οποίες μεταφορτώνονται στη μνήμη μιας γεννήτριας αυθαίρετων κυματομορφών για να παραχθούν από τη γεννήτρια ραδιοκυμάτων. Υπάρχουν αρκετά εργαλεία λογισμικού που μπορούν να επιταχύνουν τη διαδικασία δημιουργίας κυματομορφών με διαλείψεις, όπως για παράδειγμα το εργαλείο MatlabΤΜ της εταιρείας MathWorks, αλλά αυτά περιορίζονται στα παραδοσιακά μοντέλα διαλείψεων. Ακόμα οι γεννήτριες αυθαίρετων κυματομορφών διαθέτουν περιορισμένη μνήμη, με αποτέλεσμα οι παραγόμενες κυματομορφές να είναι αρκετά μικρές και να επαναλαμβάνονται απλώς στο χρόνο. Για όλους αυτούς τους λόγους χρειάζεται να επιστρατεύσουμε ειδικού σκοπού υλικό το οποίο εξομοιώνει ρεαλιστικά κανάλια πολλαπλών εισόδων-εξόδων ώστε να δώσουμε μια λύση στις απαιτητικές αυτές συνθήκες εξομοίωσης. Στην παρούσα διπλωματική σχεδιάσαμε έναν προσομοιωτή καναλιών για κανάλια βασικής ζώνης πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων (baseband MIMO), σε αρχιτεκτονική υλικού και συγκεκριμένα σε συστοιχίες προγραμματιζόμενων πυλών (FPGA). Ο προσομοιωτής αυτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πιστοποίηση της λειτουργίας μιας σειράς επεξεργαστών για σύγχρονα και επόμενης γενιάς τηλεπικοινωνιακά συστήματα. / Optimization of multiple input multiple output (MIMO) communication systems, requires testing under realistic conditions and various channel environments. Direct tests on real-world channel environments, is not an efficient method since the channel is very sensitive, not controllable and non–causal. Moreover, testing in a real channel is not a practical method when various different channels need to be tested or mobility to be included in the tests. A second option is to create realistic channel models, using software tools but this does not produce real time results and can also be prohibitively time-consuming. The reason for this, is that after creating the channel coefficients in software that form the channel’s impulse response, the convolution of these coefficients with the transmitted signals is a relatively slow process that hinders real-time simulation. In some software-based test systems the modulated data and fading signals are used to create complex (I/Q) waveforms that are downloaded into the memory of an arbitrary waveform generator in order to be generated by the RF signal generator. Many software tools exist, that can accelerate the process of fading waveform creation, such as MathWorks’ MatlabΤΜ but these tools are limited to traditional fading models. Moreover the arbitrary waveform generators consist of limited memory resulting in short waveforms that simply repeat over time. For these reasons, a requirement for specialized instrumentation arises, one that can emulate realistic multiple input-multiple output channels, in order to provide an efficient solution to these demanding simulation conditions. In the context of the current thesis, we design a baseband multiple input-multiple output (MIMO) emulator into hardware, specifically into Field Programmable Gate Array (FPGA). This particular hardware component is suitable for the functional verification of a variety of baseband processors for current and next generation telecom equipment.

Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των χαρακτηριστικών του ασύρματου καναλιού και πιο συγκεκριμένα κάποιων παραμέτρων του που παίζουν σημαντικό ρόλο στην καλύτερη κατανόηση του. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή σε έννοιες όπως η διάδοση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος και το ασύρματο κανάλι σε γενικευμένη μορφή. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται όλες οι παράμετροι που επιδρούν και επηρεάζουν τη διάδοση του κύματος καθώς και οι διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους το ηλεκτρομαγνητικό κύμα διαδίδεται στο χώρο. Το τρίτο κεφάλαιο διαπραγματεύεται την χρήση μοντέλων αλλά και την στατιστική περιγραφή του καναλιού λόγω του σύνθετου και πολύπλοκου χαρακτήρα της φύσης του καναλιού. Ακόμα εισάγεται η έννοια και η χρησιμότητα του συντελεστή Rice K. Στο τέταρτο κεφάλαιο έχουμε την παρουσίαση των μοντέλων που χρησιμοποιούνται στο ασύρματο κανάλι εσωτερικού χώρου για την τοπολογία του αεροδρομίου Αθηνών και την λήψη μετρήσεων σε αυτό ώστε να γίνει αξιολόγηση με βάση της μετρήσεις και να καταλήξουμε στο καταλληλότερο προς χρήση μοντέλο. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική προσέγγιση υπολογισμού του συντελεστή Κ, αλλά και ο υπολογισμός του με βάση μετρήσεις που πήραμε στο αεροδρόμιο και η εξαγωγή κάποιων συμπερασμάτων. / -

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η εκμετάλλευση της διαφορετικότητας πολλών χρηστών και της προσαρμοστικής διαμόρφωσης στα OFDMA συστήματα. Οι αλγόριθμοι που εκμεταλλεύονται αυτά τα κέρδη δεν προσδιορίζονται από το πρότυπο WiMAX, και έτσι όλοι οι κατασκευαστές WiMAX να είναι ελεύθεροι να αναπτύξουν τις δικές τους καινοτόμες διαδικασίες. Η ιδέα είναι η ανάπτυξη αλγορίθμων για την κατανομή των υποφορέων στους χρήστες, για τον προσδιορισμό των ποσοτήτων ισχύος σε αυτούς. Η μελέτη εστιάζεται στην κάτω ζεύξη (downlink) του συστήματος OFDMA, δηλαδή στη μετάδοση δεδομένων από το σταθμό βάσης της κυψέλης στους χρήστες – δέκτες. Οι διαθέσιμοι πόροι του συστήματος είναι οι ορθογώνιοι υποφορείς και η συνολική διαθέσιμη ισχύς στο σταθμό βάσης. Οι χρήστες κάνουν εκτίμηση και ανατροφοδότηση της πληροφορίας κατάστασης του καναλιού (CSI-channel state information) σε έναν κεντρικό σταθμό βάσης, όπου υποφορείς και κατανομή ισχύος προσδιορίζονται σύμφωνα με CSI των χρηστών και τη διαδικασία κατανομής των διαθέσιμων πόρων. Μόλις οι υποφορείς για κάθε χρήστη καθοριστούν, ο σταθμός βάσης πρέπει να ενημερώνει τον κάθε χρήστη για το ποιοι υποφορείς έχουν ανατεθεί στον καθένα. Συνήθως, η κατανομή των πόρων πρέπει να γίνεται σε χρονικά διαστήματα της τάξης του χρόνου συνοχής, αν και μπορεί να γίνει πιο συχνά, αν υπάρχουν πολλοί χρήστες που ανταγωνίζονται για τους πόρους που είναι διαθέσιμοι. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται διαφορετικά σενάρια κατανομής των πόρων που περιλαμβάνουν αλγορίθμους για την ανάθεση των υποφορέων και το διαμοιρασμό των κατάλληλων ποσοτήτων ισχύος στους υποφορείς. Ανάλογα με το στόχο και τις ανάγκες των χρηστών του συστήματος, καθώς και με το ποσό της διαθέσιμης πληροφορίας καναλιού στο σταθμό βάσης, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί αλγόριθμοι. Η κατανομή των διαθέσιμων πόρων συνήθως διατυπώνεται ως πρόβλημα βελτιστοποίησης με περιορισμούς, είτε (1) ελαχιστοποίηση της συνολικής εκπεμπόμενης ισχύoς με περιορισμό στο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στο χρήστη είτε (2) μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων με περιορισμό στην συνολική εκπεμπόμενη ισχύ. Ο αλγόριθμος με περιορισμό αναλογίας των ρυθμών μετάδοσης (Proportional Rate Constraints algorithm - PRC) έχει ως στόχο τη μεγιστοποίηση της συνολικής διεκπεραίωσης με τον περιορισμό ότι ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων σε κάθε χρήστη είναι ανάλογος με ένα σύνολο από προκαθορισμένες παραμέτρους του συστήματος. Ενώ ο στόχος του αλγόριθμου μέγιστου ολικού ρυθμού μετάδοσης (MSR- maximum sum rate algorithm), είναι η μεγιστοποίηση του συνόλου των ρυθμών μετάδοσης όλων των χρηστών, λαμβάνοντας υπόψη έναν περιορισμό της συνολικής εκπεμπόμενης ισχύoς. / In this diploma thesis, multiuser diversity and adaptive modulation in OFDMA systems is considered. Algorithms that take advantage of these gains are not specified by the WiMAX standard, and all WiMAX developer are free to develop their own innovative procedures. The idea is to develop algorithms for determining which users to schedule, how to allocate subcarriers to them, and how to determine the appropriate power levels for each user on each subcarrier. The downlink of a single-cell system is considered in the downlink transmission. The available resources to be distributed among the users of the OFDMA system comprise the subcarriers over which the signals of the users are transmitted and the available power that is allocated among subcarriers. Users estimate and feedback the channel state information (CSI) to a centralized base station, where subcarrier and power allocation are determined according to users’ CSI and the resource-allocation procedure. Once the subcarriers for each user have been determined, the base station must inform each user which subcarriers have been allocated to it. Typically, the resource allocation must be performed on the order of the channel coherence time, although it may be performed more frequently if a lot of users are competing for resources. In this diploma thesis, different resource allocation strategies for the downlink of an OFDMA system are compared. Each algorithm has a different objective. The resource allocation is usually formulated as a constrained optimization problem, to either (1) minimize the total transmit power with a constraint on the user data rate or (2) maximize the total data rate with a constraint on total transmit power. The proportional rate constraints (PRC) algorithm is to maximize the sum throughput, with the additional constraint that each user’s data rate is proportional to a set of predetermined system parameters. While the objective of the maximum sum rate (MSR) algorithm, is to maximize the sum rate of all users, given a total transmit power constraint.

Λαμβάνοντας υπόψη, ότι η αποδοτική σχεδίαση, αξιολόγηση και εγκατάσταση ενός ασύρματου δικτύου επικοινωνιών, απαιτούν τον ακριβή χαρακτηρισμό του καναλιού διάδοσης και ειδικότερα των διαλείψεων μικρής και μεγάλης κλίμακας, το αντικείμενο μελέτης της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής (ΔΔ) εστιάζεται στη μοντελοποίηση των διαλείψεων με νέα γενικότερα στατιστικά μοντέλα και απαρτίζεται από τρεις θεματικές ενότητες που αφορούν α) μοντέλα παρουσία συνιστώσας Οπτικής Επαφής (ΟΕ), β) μοντέλα που χαρακτηρίζονται από απουσία συνιστώσας ΟΕ καθώς και γ) χρήσιμες στατιστικές εκφράσεις για τη περιγραφή του τυχαίου θορύβου FM και της μέσης χωρητικότητας του καναλιού για μερικά από τα νέα κανάλια (α-μ, α-η-μ, α-κ-μ και α-λ-η-μ). Με βάση την υφιστάμενη διεθνή βιβλιογραφία, οι κατανομές που περιγράφουν κανάλια διαλείψεων δεν είναι αρκετά ευέλικτες και πολλές φορές είναι ανεπαρκείς για τη προσαρμογή αυτών σε δεδομένα προερχόμενα από πειραματικές μετρήσεις της έντασης ανά μονάδα επιφάνειας του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, τόσο για κανάλια εσωτερικών, όσο και για κανάλια υπαίθριων (εξωτερικών) χώρων. Έτσι, αρχικά δίδεται ο φυσικός μηχανισμός για την ερμηνεία κάθε νέου παρουσιαζόμενου μοντέλου. Χρησιμοποιώντας το μαθηματικό φορμαλισμό που προκύπτει από την μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού μέσω διαφόρων μιγαδικών Gaussian διεργασιών με διαφορετικές ιδιότητες, παρέχονται χρήσιμες εκφράσεις για την περιγραφή και αξιολόγηση των ψηφιακών συστημάτων επικοινωνιών που λειτουργούν σε περιβάλλοντα διαλείψεων. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η μελέτη που αφορά μοντέλα που υποθέτουν ότι η συνιστώσα πολυδιόδευσης συνυπάρχει με συνιστώσα. Έπειτα, πραγματοποιείται μελέτη μοντέλων που λειτουργούν σε συνθήκες διαλείψεων, όπου δεν υφίσταται συνιστώσα ΟΕ. Στη συνέχεια της ΔΔ, αναφορικά με κάποια από τα μοντέλα που παρουσιάστηκαν, πραγματοποιείται μελέτη και διερεύνηση του τυχαίου θορύβου FM και της Μέσης Χωρητικότητας του Καναλιού (ΜΧΚ). / The effective design, assessment, and installation of a wireless radio network require an accurate characterization of the propagation channel and, in particular, the small and large scale fading. By taking this into consideration, the subject of this Philosophy Diploma (PhD) dissertation is summarized in the characterization of fading with new more general statistical models and it is composed from three thematic units that concern: a) models under LOS conditions, v) models that are characterized by lack of a LOS component as well as c) useful statistical expressions for the description of random noise FM and average channel capacity for some of the new channels. A important amount of scientific work shows that the existing distributions are not enough flexible and many times are insufficient for the adaptation in data coming from experimental measurements of intensity per unit of surface of the electromagnetic field for both indoor and outdoor channels. Based on this fact, the objective of the Thesis was the production of new more general models with always natural background. Thus, initially, the natural mechanism is given for the interpretation of each new presented model. Using the mathematic formalism that results from the modelling of wireless channel via various complex Gaussian processes with different attributes, useful expressions are provided for the description and evaluation of digital communication systems that operate in fading environments. Consequently, initially, the basic theoretical background is presented that is rendered useful and essential for the study of fading channels. Next, a study is presented that concerns models that assume that the mulitpath part coexists with a LOS component. Then, a study of models, which assume NLOS conditions, takes place. In the next part of the PhD, in regard to some of the presented models, a study of random noise FM and ACC takes place.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και ο προσδιορισμός, θεωρητικός και πειραματικός, του συντελεστή Κ της Rician κατανομής σε ένα κανάλι στα 2.4 GHz. Η κατανομή Rice χρησιμοποιείται για την περιγραφή του πλάτους του λαμβανόμενου σήματος σε ένα κανάλι μετάδοσης με ισχυρή επίδραση οπτικής επαφής (Line-of-Sight) μεταξύ κεραίας πομπού και δέκτη. Ο συντελεστής Κ Rice εκφράζει τον λόγο της συνεισφοράς της ισχύος της απευθείας συνιστώσας του σήματος ως προς την συνολική λαμβανόμενη ισχύ λόγω φαινομένων διάχυσης. Χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό του καναλιού καθώς και τον υπολογισμό του BER (bit-error-ratio) και της πλέον σημαντικής παραμέτρου των τηλεπικοινωνιών SNR (Signal-to-Noise-Ratio), δηλαδή του λόγου σήματος προς θόρυβο. Στο 1ο κεφάλαιο αναλύονται και περιγράφονται μερικές από τις σημαντικότερες τεχνολογίες ασυρμάτων δικτύων, από την πρώτη στιγμή της εμφάνισής τους (δίκτυα 1ης και 2ης γενιάς) έως τα πιο σύγχρονα δίκτυα 3ης και 4ης γενιάς, και παρουσιάζονται οι ζώνες συχνοτήτων που καταλαμβάνουν αυτές οι τεχνολογίες στο διαθέσιμο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Στο 2ο κεφάλαιο μελετώνται οι 3 βασικότεροι μηχανισμοί διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος μέσα σε ένα ασύρματο κανάλι (ανάκλαση, περίθλαση, σκέδαση), περιγράφονται οι τύποι των απωλειών που υφίσταται ένα σήμα κατά την μετάδοση του και τα φαινόμενα των διαλείψεων, που παρατηρούνται πολύ έντονα σε ένα κινητό και μεταβαλλόμενο περιβάλλον διάδοσης. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή του μοντέλου ηλεκτρομαγνητικής μετάδοσης κατά Rice, δηλαδή όταν η απευθείας συνιστώσα του σήματος είναι η ισχυρότερη διαδρομή που ακολουθεί το εκπεμπόμενο σήμα κατά την πορεία του μέχρι τον δέκτη (LoS). Αναλύεται η σημαντικότερη παράμετρος αυτού του τύπου μετάδοσης, δηλαδή ο συντελεστής Κ, και παρουσιάζονται διάφορες μέθοδοι προσδιορισμού του τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά. Στο 4ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραματικών μας μετρήσεων σε διάφορες τοπολογίες μετάδοσης με LoS για ένα δίκτυο Wi-Fi, δηλαδή για συχνότητα λειτουργίας στα 2.4 GHz. Για κάθε τοπολογία, περιγράφεται πλήρως το περιβάλλον μετάδοσης καθώς και ολόκληρη η διαδικασία εκπόνησης των μετρήσεων (μετρητικά όργανα, απαραίτητο λογισμικό, τυχόν προσεγγίσεις κτλ.). Τέλος, στο 5ο και τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μια μέθοδος υπολογισμού του συντελεστή Κ μέσω των μετρήσεων και με τη βοήθεια του μοντέλου ελευθέρου χώρου, που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των συνολικών απωλειών διαδρομής του σήματος. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών χρησιμοποιήθηκαν, με την βοήθεια του Matlab, για την κατασκευή της CDF των τιμών του Κ αλλά και της γραφικής παράστασης της μεταβολής του Κ συναρτήσει της απόστασης. Οι εμπειρικές CDF συγκριθήκαν και προσεγγιστήκαν με γνωστές θεωρητικές CDF, και η συνάρτηση της μεταβολής του Κ με την απόσταση προσεγγίστηκε με όρους Goodness of Fit με την βοήθεια της γενικής μορφής γνωστών συναρτήσεων. Κλείνοντας, στην τελευταία παράγραφο της εργασίας αφήνεται περιθώριο και δίνεται τροφή για μελλοντική εργασία πάνω στην μελέτη και τον προσδιορισμό του συντελεστή Κ της Rice τόσο για εσωτερικούς όσο και για εξωτερικούς χώρους. / The main purpose of this thesis, is the analysis and estimation , theoretical and empirical, of the Rician K factor for a wireless channel at 2.4 GHz. The Rician power density function is used to describe the amplitude of the received signal when there is a strong LOS component. The Rician K factor expresses the ratio of the power component due to LOS signal propagation and the received signal power due to diffuse components (reflection, scattering, diffraction etc.). It is commonly used for the channel's characterization and the estimation of BER (bit error rate) and SNR (signal to noise ratio), a very important parameter for telecommunications. In the 1st chapter, some of the most important wireless systems are described, since their very first appearance (1G & 2G networks) until the latest 3rd and 4rth generation systems. We also present the current frequency bands and how they are spread at the given electromagnetic spectrum. In the 2nd chapter, the 3 basic propagation mechanisms (reflection, scattering, diffraction) are studied. In addition, we describe all types of signal attenuation within a wireless channel and the fading phenomena that are so commonly seen in mobile and continuously changing propagation environments. In the 3rd chapter, the Rician model of electromagnetic propagation, where LOS is the strongest path of signal components, is analyzed. The most important parameter of this propagation type, the Rician K factor, is also studied. Therefore, various methods of theoretical and empirical estimation of the K factor are presented. In the 4rth chapter, we include the results of our measurements in various LOS propagation topologies for a Wi-Fi system at 2.4 GHz. For each measurement topology, the propagation environment as well as the entire measurement procedure, are thoroughly described. Lastly, in the 5th and final chapter, a K factor estimation method based on the empirical set of data and the Free Space Model, used for the average path loss calculation, is presented. The results of our measurements via the help of the Matlab software were used in order to plot the CDF of K values as well as the K values versus d (distance) curve. Using curve fitting methods, the empirical CDFs and plots were compared to theoretical ones in terms of Goodness of Fit. In the closing section, possible future research in the aforementioned fields is proposed.