Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη της χρήσης του διαφορισμού στις ασύρματες επικοινωνίες. Αρχικά, γίνεται η εισαγωγή και ορίζεται το πεδίο μελέτης. Στη συνέχεια, μοντελοποιείται το ασύρματο κανάλι και παρουσιάζονται οι δυσκολίες που προκύπτουν στη μετάδοση. Συγκρίνεται το κανάλι διαλείψεων (fading channel) με το κανάλι λευκού προσθετικού Γκαουσιανού Θορύβου (AWGN). Στη συνέχεια, γίνεται εισαγωγή στην έννοια του διαφορισμού και περιγράφεται ο διαφορισμός στο χώρο με τη χρήση πολλαπλών κεραιών. Ακολουθεί η ανάλυση ενός συστήματος SIMO οπου γίνεται διαφορισμός μόνο στο δέκτη. Ύστερα, εξετάζεται ένα σύστημα MISO οπου γίνεται διαφορισμός μόνο στον πομπό. Εξετάζονται διάφοροι τρόποι μετάδοσης όπως το σχήμα Alamouti. Το επόμενο κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή στα συστήματα ΜΙΜΟ και περιγράφεται η ορθογωνοποίηση ενός καναλιού ΜΙΜΟ με τη χρήση SVD. Μελετάται η βέλτιστη κατανομή ενέργειας από τον πομπό. Στη συνέχεια, αναλύονται μέθοδοι ισοστάθμισης για την ανάκτηση των δεδομένων που μεταδίδονται. Εξετάζεται ο αποσυσχετιστής (decorrelator) και ο ισοσταθμιστής ελάχιστου μέσου τετραγωνικού σφάλματος (ΜΜSE). Ακολουθεί η εξέταση μη γραμμικών ισοσταθμιστών ανάδρασης απόφασης και γίνεται αναφορά στην αρχιτεκτονική V-BLAST. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στο βέλτιστο δέκτη και γίνεται σύγκριση του δέκτη αυτού με τους ισοσταθμιστές. / Study of space diversity in wireless communications. The first part is the introduction and the field of study is defined. The next chapter introduces the fading channel. The performance of the Rayleigh fading channel and the AWGN channel are compared. Later, follows the introduction to diversity. We examine a SIMO and a MISO channel. In the MISO channel, emphasis is given on the Alamouti scheme. Later, MIMO channels are discussed. We talk about transmission using Singular Value Decomposition with or without waterfilling. Later, we discuss the equalizers used in MIMO communications. Zero Forcing and Minimum Mean Square Error (MMSE) equalizers are discussed. The next topic of study is decision feedback equalizers. Finally we discuss the optimal receiver architecture and compare its performance against the aforementioned equalizers.

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.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη μεθόδων διαφορισμού και πολύπλεξης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών. Αρχικά, γίνεται μια ανασκόπηση της βασικής θεωρίας με τη ντετερμινιστική και στοχαστική μοντελοποίηση του ασύρματου τηλεπικοινωνιακού καναλιού. Αφού παρουσιάζονται οι βασικές τεχνικές διαμόρφωσης, ακολουθεί η σύγκριση του καναλιού Λευκού Προσθετικού Γκαουσιανού Θορύβου (AWGN) με το κανάλι επίπεδων διαλείψεων (flat fading) Rayleigh. Στη συνέχεια, μελετάται ο διαφορισμός στο χώρο με χρήση πολλαπλών κεραιών στον πομπό ή/και στο δέκτη και παρουσιάζονται βασικές τεχνικές μετάδοσης και ανίχνευσης. Ξεκινώντας από συστήματα SIMO και MISO με διαφορισμό μόνο στο δέκτη και στον πομπό, αντίστοιχα, καταλήγουμε στο σύστημα MIMO που εμφανίζει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Τέλος, τα θεωρητικά αποτελέσματα που προκύπτουν επαληθεύονται με τη χρήση προσομοιώσεων, για τις οποίες εφαρμόζεται η τεχνική σημαίνουσας δειγματοληψίας (Importance Sampling). / The main goal of this diploma thesis is the study of diversity and multiplexing techniques which are employed in wireless communication systems. First of all, the deterministic and stochastic model of the wireless channel are introduced. After the presentation of the basic modulation techniques, the Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel is compared with the Flat Fading Rayleigh channel. Space diversity aims at improving the performance of wireless systems in fading environments. More precisely, basic transmission and detection techniques are analyzed for systems with multiple antennas at the transmitter or/and the receiver. Beginning from SIMO and MISO systems the thesis concludes with the study of MIMO systems which are the most interesting. Finally, the theoretical results are confirmed with simulations developed with a fast simulation method called importance sampling.

Η χρήση διαφορισμού σε συστήματα κινητών επικοινωνιών είναι μία ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική για την καταπολέμηση των διαλείψεων που παρατηρούνται στις ραδιοζεύξεις. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται διάφοροι τρόποι και τεχνικές για την μελέτη της απόδοσης συστημάτων που κάνουν χρήση διαφορισμού στον δέκτη. Οι τεχνικές διαφορισμού που μελετώνται είναι ο διαφορισμός ίσου κέρδους (equal-gain combining) και ο διαφορισμός επιλογής (selection combining). Επιπλέον, στα πλαίσια της διατριβής αυτής, υποθέτουμε ότι ο δέκτης λειτουργεί σε κανάλια μη-επιλεκτικών συχνοτήτων με βραδείες διαλείψεις (flat and slow fading channels), ενώ το εκπεμπόμενο σήμα υφίσταται διαλείψεις κατά Rayleigh, Nakagami-m, Rice ή Hoyt. Αποδεικνύεται ότι η απόδοση του συστήματος στο οποίο ο δέκτης κάνει χρήση διαφορισμού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από: • τη συσχέτιση μεταξύ των καναλιών διαφορισμού και • τη διαφορά της ισχύος μεταξύ των καναλιών διαφορισμού. Για να μελετηθεί η απόδοση ενός ΔΕ που λειτουργεί σε συσχετισμένα Nakagami-m κανάλια παρουσιάζεται παρουσιάζονται για πρώτη φορά σε κλειστή μορφή η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (ΣΠΠ) Nakagami-m μεταβλητών με εκθετική συσχέτιση, ενώ η αντίστοιχη συνάρτηση αθροιστικής κατανομής (ΣΑΚ) που προκύπτει έχει τη μορφή πολλαπλών άπειρων αθροισμάτων. / Diversity reception has been successfully used in wireless communications systems to mitigate the negative effect of channel fading. This thesis deals with the performance analysis of wireless systems employing receiver diversity. The diversity schemes studied are selection combining (SC) and equal-gain combining (EGC). We assume that the receiver operates in flat and slow fading channels and that the signal undergoes Rayleigh, Nakagami-m, Rice or Hoyt fading. As it will be shown, the performance of the diversity system depends greatly on: • the correlation among the diversity branches, • the average power imbalance of the received signals In order to study the performance of a SC receiver operating in correlated Nakagami-m fading channels, we first present a statistical analysis of correlated Nakagami-m random variables (rvs). The probability density function (pdf) of exponentially correlated Nakagami-m rvs is presented in closed-form, while the corresponding cumulative distribution function (cdf) has the form of multiple converging infinite series. Furthermore, bounds for the truncation of the infinite series.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται µια εκτενής µελέτη συστηµάτων απόκλισης τυπωµένων κεραιών για ασύρµατες συσκευές. Η εξέλιξη των ασύρµατων επικοινωνιών και ειδικότερα η κατανόηση των φαινοµένων που λαµβάνουν χώρα στο ασύρµατο κανάλι µετάδοσης έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη τεχνικών αντιµετώπισης φαινοµένων όπως η πολυοδευτική εξασθένηση και η διασυµβολική παρεµβολή. Τέτοιες τεχνικές είναι οι τεχνικές απόκλισης και ειδικότερα οι τεχνικές απόκλισης κεραιών (χώρου, πόλωσης και διαγράµµατος ακτινοβολίας) οι οποίες συνδυάζουν τα λαµβανόµενα από διαφορετικές κεραίες σήµατα µε σκοπό την δηµιουργία ενός σήµατος υψηλότερης στάθµης. Η µεθοδολογία αξιολόγησης της ικανότητας απόκλισης ενός συστήµατος κεραιών περιλαµβάνει τα κριτήρια του συντελεστή συσχέτισης των λαµβανοµένων σηµάτων και του λόγου των µέσων ενεργών κερδών των κεραιών που αποτελούν το σύστηµα. Καθοριστικό ρόλο στην τεχνική απόκλισης διαδραµατίζει ο τρόπος που συνδυάζονται τα λαµβανόµενα σήµατα στον δέκτη, µε την τεχνική του µεγίστου λόγου να αποτελεί την βέλτιστη λύση από πλευράς απόδοσης, αλλά ταυτοχρόνως την πιο δύσκολα υλοποιήσιµη. Η ποσοτικοποίηση της ικανότητας απόκλισης ενός συστήµατος πραγµατοποιείται µε το κέρδος απόκλισης το οποίο λαµβάνει διαφορετικές µορφές και ουσιαστικά παρέχει την πληροφορία του ποσοστού βελτίωσης του συνδυασµένου σήµατος σε σχέση µε µία κεραία αναφοράς. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκαν συστήµατα απόκλισης τυπωµένων κεραιών δύο, τριών, τεσσάρων έως και έξι στοιχείων. Χρησιµοποιήθηκαν κεραίες γεωµετρίας fractal λόγω της σπουδαίας ικανότητας σµίκρυνσης που παρέχει η εν λόγω τεχνική καθώς και το µονόπολο γεωµετρίας ανεστραµµένου F. Ακολουθήθηκε η µεθοδολογία αξιολόγησης της ικανότητας απόκλισης για όλα τα προτεινόµενα συστήµατα και έγινε σύγκριση µεταξύ των συστηµάτων. Μελετήθηκε αφ’ ενός η επίδραση της θέσης της κεραίας σε µία ασύρµατη συσκευή και αφ’ ετέρου η επιλογή της καταλληλότερης προς χρήση κεραίας στην µείωση του φαινοµένου της αµοιβαίας σύζευξης, φαινόµενο το οποίο αποτελεί τον κυριότερο παράγοντα µείωσης της συνολικής ικανότητας απόκλισης σε ένα σύστηµα πολλαπλών κεραιών. Ακόµη, µελετήθηκαν συστήµατα απόκλισης κεραιών τα οποία λειτουργούν σε διαφορετικές µπάντες συχνοτήτων. Τέλος, έγινε µια συγκριτική µελέτη για τον ρόλο που διαδραµατίζει το περιβάλλον και ο τρόπος που κατανέµεται η προσπίπτουσα ισχύς στην συµπεριφορά της απόκλισης των µελετηθέντων συστηµάτων. / This thesis presents a comprehensive study on printed antenna diversity systems for wireless devices. The current upsurge in wireless communications systems and, in particular, the realization of the immanent propagation mechanisms that take place in the transmission medium led to the development of special techniques in order to mitigate the undesired phenomena such as multipath fading and intersymbol interference. Antenna diversity (space, polarization and pattern) is one of these techniques and is based on the assumption that the received signals of two or more antennas could be efficiently combined in order to produce a stronger signal. The evaluation of the diversity performance involves the correlation coefficient of the received signals and the mean effective gain ratio of the diversity antennas. A key role in diversity action plays the combining technique used with the maximum ratio technique producing the best results. Diversity performance is “quantified” by means of diversity gain, which gives the amount of improvement of the combined signal relative to a signal received from a reference antenna. In this thesis, printed antenna diversity systems comprising up to six elements were developed. Antennas of fractal geometry such as the Koch, Minkowski, Sierpinski and FRC monopoles, were utilized due to their inherent miniaturization ability as well as the printed inverted F antenna. All the proposed systems were evaluated according to the methodology mentioned earlier and a comparison of the diversity performance between the systems was carried out. The effect of the antenna placement as well as the proper antenna selection for each system on the reduction of mutual coupling was addressed, which is an issue of primal importance in multi element antenna systems. Multi band antenna diversity systems were also studied. Finally, the impact of the environment’s power distribution on the diversity performance of the antenna systems was considered.