Αυτή η εργασία περιγράφει το όραμα των προσωποκεντρικών επικοινωνιών (I centric communications). Ο κύριος στόχος της εργασίας είναι η εστίαση στις διάφορες πτυχές των προσωποκεντρικών επικοινωνιών. Η επικοινωνιακή συμπεριφορά των ανθρώπων χαρακτηρίζεται από συχνές αλληλεπιδράσεις με ένα σύνολο από αντικείμενα στο περιβάλλον τους, τα οποία αποτελούν τον προσωπικό επικοινωνιακό τους χώρο. Η προσέγγιση των προσωποκεντρικών επικοινωνιών είναι η δημιουργία επικοινωνιακών συστημάτων τα οποία δεν βασίζονται σε συγκεκριμένες τεχνολογίες αλλά στην ανάλυση του προσωπικού επικοινωνιακού χώρου. Το αποτέλεσμα είναι ένα σύστημα επικοινωνίας το οποίο προσαρμόζεται σε συγκεκριμένες ανάγκες του κάθε ατόμου. Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να ενεργεί σύμφωνα με τις απαιτήσεις του ανθρώπου, αντανακλώντας πρόσφατες ενέργειες ώστε να επιτρέπει την δημιουργία προφίλ και την προσαρμογή του σε αυτές. Μία τεχνολογία κατάλληλη για τέτοιου είδους συστήματα είναι η τεχνολογία UPnP η οποία ορίζει μία αρχιτεκτονική δικτύου για διάχυτη ομότιμη συνδεσιμότητα για ευφυείς συσκευές, ασύρματες συσκευές και υπολογιστές. Η UPnP τεχνολογία παρέχει μία κατανεμημένη αρχιτεκτονική ανοιχτής δικτύωσης που επιτρέπει σε TCP/IP και Web τεχνολογίες εκτός του ελέγχου και της μεταφοράς δεδομένων μεταξύ δικτυωμένων συσκευών, την αρραγή δικτύωση γειτνίασης. Εν συνεχεία, περιγράφεται η διαδικασία απόκτησης μίας διεύθυνσης δικτύου κατά την εισαγωγή μίας συσκευής σε ένα δίκτυο. Μετά την απόκτηση της ΙΡ διεύθυνσης για να μπορεί ο δυναμικός ξενιστής να στείλει ΙΡ πακέτα στο συνδεδεμένο σε αυτό δίκτυο, πρέπει να προσδιορίσει την διεύθυνση ενός τουλάχιστον λειτουργικού δρομολογητή. Τέλος, περιγράφεται η διαδικασία με την οποία κόμβοι του δικτύου, όπως οι δρομολογητές και οι ξενιστές ανακοινώνουν την εγγραφή τους σε μία ομάδα πολυεκπομπής. / This thesis describes the vision of I centric communications. The main objective of this thesis is to focus on the various aspects of I centric communications. The communication behaviour of human beings is characterized by frequent interactions with a set of objects in their environement. The set of objects, controlled by each individual, define its individual communication space. The approach of I centric communications is to build communication systems not based on specific technologies, but on the analysis of the individual communication space. The result is a communication system that adapts to the specific demands of each individual. Such a system will act on behalf of human’s demands, reflecting recent actions to enable profiling and self adaptation. I centric Services adapt to individual communication spaces and situations. A suitable technology for such communication systems is UPnP technology, which is a new architecture for pervasive peer-to-peer connectivity of intelligent appliances, wireless devices and PCs. UPnP technology provides a distributed, open networking architecture that enables TCP/IP and Web technologies to provide seamless proximity networking in addition to control and data transfer among networked devices. Furthermore, a procedure of allocating network addresses is described during the entry of a device in the network. After acquiring an IP address, the dynamic host has to discover the address of at least one operational router on its directly attached subnet so that they are capable of sending IP datagrams in that subnet. In conclusion, the way by which network nodes, such as hosts and routers, report their IP multicast group memberships to any neighboring multicast routers, is described.

Τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, καθώς επίσης και οι επόμενες γενιές τους, πρέπει να προσαρμόζονται για να υποστηρίζουν ένα μεγάλο αριθμό από υπηρεσίες με διαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας. Για παράδειγμα, στα κυψελικά συστήματα, οι κυψέλες μικραίνουν σε μέγεθος και αυξάνονται σε πλήθος για να υποστηρίζουν ένα συνεχώς αυξανόμενο πλήθος χρηστών. Επίσης, σε μια άλλη κατεύθυνση, τα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από μικρές συσκευές που εισάγουν περιορισμούς μεγέϑους, ενέργειας και επεξεργαστικής ισχύος. Αυτά τα δυο παραδείγματα επιδεικνύου τόσο την αυξανόμενη πολυπλοκότητα των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων όσο και τις ιδιαίτερες απαιτήσεις που υπάρχουν στους μεμονωμένους κόμβους τους. Τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα πολλαπλών εισόδων και εξόδων έχουν την δυνατότητα να προσφέρουν αυξημένη χωρητικότητα και αξιοπιστία στην μετάδοση δεδομένων μέσω της έννοιας της χωρικής ποικιλομορφίας (space diversity). Συγκεκριμένα, αυτό επιτυγχάνεται με την μετάδοση της ζητούμενης πληροφορίας μέσω ενός αριθμού από διαφορετικά χωρικά μονοπάτια τα οποία δημιουργούνται από την ύπαρξη πολλαπλών κεραιών στον πομπό ή/και στον δέκτη. Ωστόσο, η προαναφερόμενη πολυπλοκότητα στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα και οι ιδιαίτερες απαιτήσεις των κόμβων έχουν ως αποτέλεσμα να μην επαρκούν οι τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί. Μια πιθανή διέξοδο έρχεται να δώσει η ιδέα της συνεργασίας. Η έννοια της συνεργασίας έχει διάφορες οπτικές γωνίες σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Πρώτον, αν οι συσκευές δεν μπορούν να υποστηρίξουν πολλαπλές κεραίες (π.χ. λόγω μεγέϑους όπως στα δίκτυα αισθητήρων και στα κινητά τηλέφωνα), σίγουρα μπορούν να συνεργαστούν ώστε με έναν κατανεμημένο τρόπο να προσφέρουν σε επίπεδο συστήματος τα απαραίτητα διαφορετικά χωρικά μονοπάτια. Δεύτερον, ακόμη και αν είναι δυνατή η χρήση πολλαπλών κεραιών σε κάποιον κόμβο ενός δικτύου, π.χ. σε σταθμούς ϐάσης κυψελικών συστημάτων, ο αριθμός τους μπορεί απλώς να μην αρκεί λόγω της αυξημένης πολυπλοκότητας και του μεγέθους του δικτύου. Η κατάλληλη χρήση συνεργατικών κόμβων μπορεί να δώσει επίσης λύση στον εν λόγω περιορισμό.Η παρούσα διδακτορική διατριβή ϑα ϐασιστεί πάνω σε συνεργατικά συστήματα υπό την πρώτη οπτική γωνία που παρουσιάστηκε παραπάνω. Συγκεκριμένα, ϑα ϑεωϱηθεί ένα συνεργατικό δίκτυο με τρεις κόμβους, δηλαδή μια πηγή, έναν αναμεταδότη και έναν προορισμό. ϑα μελετηθούν τεχνικές εκτίμησης των καναλιών που συμμετέχουν στην μετάδοση της πληροφορίας αναδεικνύοντας τα ϐασικά χαρακτηριστικά που εισάγει η έννοια της συνεργασίας στις εν λόγω τεχνικές. Επίσης, ϑα παρουσιαστούν υλοποιήσεις διαφόρων συνεργατικών πρωτοκόλλων μετάδοσης σε ένα πραγματικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα προσφέροντας έτσι την απαραίτητη πρακτική διαίσθηση πίσω από αυτά τα συστήματα. Συγκεκριμένα, αφού παρουσιαστούν κάποιες ϐασικές έννοιες για τις συνεργατικές επικοινωνίες και την λειτουργία της εκτίμησης καναλιών, ϑα μελετηθεί το πρόβλημα εκτίμησης με μερική επίβλεψη σε σχέση με το μοντέλο του συνεργατικού συστήματος που ϑεωρήθηκε. Προτείνονται εναλλακτικά σχήματα για την υλοποίηση του εκτιμητή καθώς επίσης και ένας απλός σχεδιασμός της ακολουθίας συμβόλων που υποβοηθάει το εφαρμοζόμενο κριτήριο ετεροσυσχέτισης. ΄Ολες οι έννοιες που παρουσιάζονται σε αυτό το κεφάλαιο υποστηρίζονται με πειραματικά και ημιαναλυτικά επιχειρήματα. Στην συνέχεια, παρουσιάζεται το πρόβλημα σχεδιασμού της κατανομής ενέργειας σε σύμβολα εκμάθησης για την εκτίμηση συσχετισμένων καναλιών. Αφού περιγραφεί το προς μελέτη πρόβλημα, ϑα επικεντρωθούμε στο κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων για το οποίο παρουσιάζονται η ϐέλτιστη και τρεις υποβέλτιστες λύσεις που συνοδεύονται από χρήσιμα συμπεράσματα και παρατηρήσεις. ΄Επειτα, μελετάται το κριτήριο ελάχιστου μέσου τετραγωνικού σφάλματος για δυο περιπτώσεις. Στην πρώτη, παρουσιάζεται μια ανάλυση χειρότερης περίπτωσης και γίνεται η σύνδεση των λύσεων του προβλήματος με τις λύσεις του προηγούμενου κριτηρίου. Επίσης, υπό την υπόθεση των καναλιών χωρίς συσχέτιση, παρουσιάζεται η ϐέλτιστη λύση για τον σχεδιασμό της ακολουθίας των συμβόλων εκμάθησης. Στην τρίτη κατεύθυνση, ϑα παρουσιαστεί αρχικά το σύστημα στο οποίο ϑα υλοποιηθούν και εκτελεστούν τα πρωτόκολλα συνεργατικής επικοινωνίας. Στην συνέχεια, παρουσιάζονται τα εν λόγω σχήματα και το κεφάλαιο καταλήγει με την πειραματική διαδικασία, την παρουσίαση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων καθώς και την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. Στο τέλος της διατριβής περιγράφονται συνοπτικά τα ϐασικά συμπεράσματα που έχουν προκύψει και παρουσιάζονται κάποιες ενδιαφέρουσες νέες κατευθύνσεις. / Contemporary communication systems, as well as their next generations, are expected to adapt to a rapidly increasing number of desired applications and quality of service levels. For example, in cellular systems, the cells are getting smaller in size and larger in numbers in order to support the increasing number of users. Also, towards another direction, wireless sensor network consist of small devices that comply with stringent constraints such as size, consumed energy and computational power. These examples demonstrate both the high complexity of communication networks and the specific requirements that exist in individual communication nodes. Multiple input multiple output systems are capable of offering high capacity and reliable data communications utilizing the notion of spatial diversity. This is achieved by transmitting the desired information through different spatial paths that are created because of multiple antennas at the transmitter and/or the receiver side. However, the aforementioned complexity of communication networks and the specific requirements of the nodes have as a result that currently proposed techniques, for such systems, are inadequate. A possible solution to this dead end is the idea of cooperation. Cooperation has several aspects in a communication system. Firstly, if the nodes cannot support multiple antennas (e.g. due to size restriction as in sensor networks and mobile phones), they can cooperate in order to provide, in a distributed manner, the desired spatial paths. Secondly, even if multiple antennas can be used, as in base stations, their number might not be good enough because of the increased complexity and size of the network. The appropriate use of cooperative nodes can provide a solution to this problem, too. This dissertation has been focused on cooperative systems that are viewed according to the first aspect. Specifically, it has been assumed that the cooperative network consists of three nodes, a source, a relay and a destination. On this network, channel estimation techniques have been studied pointing out the main characteristics that are inherent to cooperation. Moreover, test-bed implementations have been provided for several well known cooperative schemes and protocols pointing out the practical aspects of such systems. In more detail, after the presentation of some introductory notions on cooperation and channel estimation, a semi-blind technique has been studied that is based on the so called cross-relation criterion. Two alternative schemes for constructing the channel estimator have been proposed as well as a simple training design procedure for improving the estimation performance has been devised. The results that have been produced are supported by semi analytic arguments and computer simulations. Then, a training design problem has been studied for a training based channel estimator. The design has been focused on the energy allocation of training symbols under the assumption that channel taps are correlated. After the description of the problem, the least squares criterion has been utilized and the optimal solution, along with three suboptimal ones, has been presented and useful conclusions have been drawn. Also, the problem has been studied under the minimum mean square error criterion for two cases. In the first one, a worst case analysis has been presented. There, a connection to the least squares solution was provided. In the second case, relaxing the assumption of correlated channel taps, the optimal solution has been presented. In the third direction, a number of well known protocols have been implemented in a test-bed system. A measurement campaign has been conducted to acquire the bit error performance and the computational complexity of the protocols. The protocols have been compared according to three different metrics and useful insights have been identified. The dissertation is concluded with a brief presentation of the main points that have been raised in the aforementioned directions. Moreover, new interesting research directions have been provided.

Με τη ραγδαία ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών και την μαζική χρήση τους, εμφανίστηκε το πρόβλημα της διάθεσης των ραδιοσυχνοτήτων του φάσματος, του κύριου αλλά πεπερασμένου πόρου για τις ασύρματες επικοινωνίες. Η κύρια πολιτική πρόσβασης στο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων, είναι η εξουσιοδότηση επιλεγμένων χρηστών να μεταδίδουν σε συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων. Παρά την κάλυψη όλων των ραδιοσυχνοτήτων από εξουσιοδοτημένους χρήστες, την αυξημένη ζήτηση και το υψηλό κόστος πρόσβασης, μετά από έρευνες αποδεδείχθηκε ότι μόνο το 70% του φάσματος χρησιμοποιείται αποδοτικά μέχρι σήμερα. Η τεχνολογία του Cognitive Radio αναπτύχθηκε με την προοπτική να επιτύχει αποτελεσματικότερη χρήση του φάσματος, δίνοντας τη δυνατότητα σε μη εξουσιοδοτημένους χρήστες να έχουν πρόσβαση σε συχνότητες που είναι καθόλου ή μερικώς κατειλημμένες από τους εξουσιοδοτημένους χρήστες, στο χώρο και στο χρόνο. Η τεχνολογία του Cognitive Radio εφαρμόζει δυο βήματα. Πρώτα αντιλαμβάνεται την κατάσταση του φάσματος στο χώρο σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές και έπειτα διαθέτει δυναμικά τις ελεύθερες συχνότητες που εντόπισε στους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες, η διαδικασίες ονομάζονται ανίχνευση και κατανομή φάσματος αντίστοιχα. Ο μόνος περιορισμός είναι, το εκπεμπόμενο σήμα των μη εξουσιοδοτημένων χρηστών να μην παρεμβαίνει (με τη μορφή θορύβου) στο σήμα των εξουσιοδοτημένων χρηστών. Σε αυτήν την εργασία θα υλοποιηθεί μια μέθοδος της διαδικασίας ανίχνευσης φάσματος και οι τεχνικές που την εφαρμόζουν. Ο κύριος στόχος της ανίχνευσης φάσματος είναι ο εντοπισμός των εξουσιοδοτημένων χρηστών όταν αυτοί εκπέμπουν στις καθορισμένες για τον καθένα συχνότητες. Αυτό επιτυγχάνεται όταν φτάνει το σήμα των εξουσιοδοτημένων χρηστών στην κεραία του μη εξουσιοδοτημένου χρήστη. To βασικό εμπόδιο που παρουσιάζεται για τον εντοπισμό αυτών είναι η εξασθένηση του σήματος του εξουσιοδοτημένου χρήστη εξαιτίας των κακών συνθηκών καναλιού που προκύπτουν από τα φαινόμενα multipath, distance dependent path loss και shadowing. Μελέτες έδειξαν ότι η συνεργασία των μη εξουσιοδοτημένων χρηστών σε ένα δίκτυο μπορεί να ακυρώσει την επίδραση τέτοιων φαινόμενων στη διαδικασία εντοπισμού. Έτσι έχουν αναπτυχθεί ποικίλες τεχνικές ανίχνευσης φάσματος βασισμένες στη συνεργασία των μη εξουσιοδοτημένων χρηστών. Η παρούσα εργασία υλοποιεί μια μέθοδο συνεργαζόμενης ανίχνευσης φάσματος που βασίζεται στην ενέργεια του σήματος. Λόγω του κινδύνου αλλοίωσης αποτελεσμάτων από την παρουσία κακόβουλων χρηστών σε συστήματα συνεργασίας, η τεχνική συνεργασίας που επιλέχθηκε εστιάζει στην προστασία του δικτύου από κακόβουλους χρήστες. Μια τέτοια τεχνική θα συγκέντρωνε όλη την απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύ σε έναν μη εξουσιοδοτημένο χρήστη που θα αποτελούσε το κέντρο παραγωγής των αποφάσεων-το fusion center. Στην εργασία αυτή η απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύς κατανέμεται σε όλους τους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες. Αυτό επιτυγχάνεται εισάγοντας ένα επιπλέον βήμα στη διαδικασία. Οι μη εξουσιοδοτημένοι χρήστες εκτελούν αρχικά μια νέα τεχνική ανίχνευσης φάσματος μεμονωμένα, ώστε η τελική απόφαση του fusion center να αφορά αυτές τις συχνότητες για τις οποίες δεν υπήρξε ταύτιση από την πλειοψηφία τους. Η νέα τεχνική που θα εκτελείται μεμονωμένα από τους μη εξουσιοδοτημένους χρήστες είναι μια τεχνική ανίχνευσης φάσματος που δεν διακρίνεται για τα καλά της αποτελέσματα και η μόνη εγγύηση που μπορεί να προσφέρει είναι ο ακριβής εντοπισμός των συχνοτήτων στις οποίες οι εξουσιοδοτημένοι χρήστες δεν μεταδίδουν, θυσιάζοντας πιθανώς κατειλημμένες συχνότητες. Η στοιχειώδης λειτουργία αυτής της τεχνικής σε συνδυασμό με τις ανύπαρκτες απαιτήσεις σε δεδομένα εκ των προτέρων γνωστά, την χαρακτηρίζει πλήρως κατάλληλη για πρώτο βήμα στη μέθοδο που αναπτύχθηκε. / Due to rapid growth of wireless communications and the massive use of them, the problem of sharing the radio spectrum, the main though finite source of wireless communication, made its appearance. The main radio spectrum access policy is to predefine users -named primary- for transmitting to particular radio frequencies. Nevertheless the authorization of the whole the radio spectrum, given the strong competition and the high financial cost for access, doesn’t exploit completely the source. On the contrary, researches have shown that only the 70 % of the radio spectrum is effectively used. The Cognitive Radio technology was developed with the prospect to achieve a more effective use of spectrum, by giving the chance of transmission to non authorization users -secondary- in frequencies which are partially or completely unoccupied with primary users’ signals, from the perspectives of time and space. Cognitive Radio technology applies two processes. At first it senses the spectrum current flow in particular space and time periods, then it dynamically sharing those available frequencies which it sensed, to secondary users. These processes named as Spectrum Sensing and Spectrum Access respectively. The only restriction define to that, transmitted signal of secondary users is forbidden from interfering with primary user signal. In this study, a method of Spectrum Sensing process and individual techniques will be developed. The main objective of Spectrum Sensing process is to determine primary users when they transmit to predefined frequencies. This can be accomplished provided that the signal of primary user can be received from secondary user. Signal deterioration due to channel conditions could be a reason for secondary users in order to not receive primary user signal. Some of these conditions are multipath, distance dependent path loss και shadowing phenomenon. Researches have shown that the secondary users’ cooperation can avoid the effect of those conditions in spectrum sensing process. Thus a variety of spectrum sensing techniques have been developed, which are based on secondary users’ cooperation. In the present study is performed an energy based cooperative spectrum sensing method. Due to the possibility of cooperating with malicious users in the process, the performed cooperation technique focuses on protection from malicious users. Note that such a technique will concentrate the whole computing power on a single secondary user, which one make the final decision and named fusion center. The method of this study distributes the computing power among all the secondary users. That happens by adding one more step in the process. Secondary users firstly execute a spectrum sensing technique individually, in order the process of fusion center to affect only those frequencies, which secondary individual decisions achieved a degree of unanimity for. The individual technique executed by secondary users is not typical of good results in sensing the primary users who transmit, however it gives a guarantee of small values in false alarm possibility. The fundamental operation of this technique in coexistence with very few a-priory requirements made it the appropriate technique for the first step of our method.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μελέτη της τεχνικής μετάδοσης OFDM. Η τεχνική OFDM είναι πια μια ώριμη τεχνολογία με αποδεδειγμένη ικανότητα να προσφέρει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων με ιδιαίτερα μεγάλη αποτελεσματικότητα ακόμα και σε δύσκολα περιβάλλοντα μετάδοσης. Αυτό αντικατοπτρίζεται και από την πολύ μεγάλη διείσδυσή της στην αγορά με ενσωμάτωσή της σε πολλά εμπορικά προϊόντα. Όμως οι σύγχρονες ανάγκες επικοινωνιών επιτάσσουν ακόμα πιο μεγάλη αποτελεσματικότητα στην μετάδοση δεδομένων και πλέον συστήματα και λύσεις που προτάθηκαν πριν 2 με 3 χρόνια θεωρούνται αναποτελεσματικά. Κύριο σημείο για την αύξηση της αποτελεσματικότητας αποτελεί η δυνατότητα προσαρμογής του συστήματος στις συνθήκες μετάδοσης. Οι συνθήκες μετάδοσης χαρακτηρίζονται κυρίως από το ασύρματο κανάλι. Για να επιτευχθεί η μεγαλύτερη δυνατή αποτελεσματικότητα το σύστημα θα πρέπει να είναι ικανό να εκτιμά τα κύρια χαρακτηριστικά του ασύρματου καναλιού και στην συνέχεια να προσαρμόζει ανάλογα τα χαρακτηριστικά μετάδοσης. Ένα τέτοιο προσαρμοστικό σύστημα έχει σημαντικό πλεονέκτημα απέναντι σε ένα μη προσαρμοστικό σύστημα το οποίο αντιμετωπίζει την κάθε περίπτωση με έναν ενιαίο μη βέλτιστο τρόπο. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα, το οποίο συναντάται σε όλα τα συστήματα και στο OFDM, είναι η διαφορά της απόδοσης των αλγορίθμων ανάμεσα στην εξομοίωση τους σε λογισμικό και στην υλοποίηση τους σε υλικό. Η παρούσα διατριβή έχει τρεις στόχους. Ο πρώτος στόχος είναι να μελετηθεί το κανάλι μετάδοσης και να διερευνηθούν τα κύρια χαρακτηριστικά του. Η εκτίμηση των χαρακτηριστικών αυτών θα αποτελέσει την προσεγγιστική εκτίμηση καναλιού. Στην συνέχεια το σύστημα βασιζόμενο σε αυτά τα χαρακτηριστικά θα μπορεί να προσαρμοστεί κάθε φορά με τον βέλτιστο τρόπο. Αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι να αποφασιστεί ότι οι συντελεστές που περιγράφουν προσεγγιστικά το κανάλι είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο, η συχνότητα Doppler, η εξάπλωση καθυστέρησης και ο συντελεστής Κ του καναλιού Ricean και να αναπτυχθούν αλγόριθμοι εκτίμησης για κάθε έναν. Μέσω των προτεινόμενων αλγορίθμων το σύστημα θα μπορεί να εκτιμήσει τις συνθήκες μετάδοσης και να προσαρμοστεί κατάλληλα. Ο δεύτερος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της ακριβούς εκτίμησης καναλιού και η ενίσχυση της απόδοσης του συστήματος μέσω αυτής. Για την μελέτη αυτή επιλέχθηκαν δύο διαφορετικοί τρόποι προσέγγισής της. Η πρώτη προσέγγιση ασχολείται με την λεπτομερή εκτίμηση χαρακτηριστικών του καναλιού όπως ο αριθμός των διαδρομών του και η χρονική τοποθέτησή τους. Στην συνέχεια αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των συντελεστών του καναλιού. Η δεύτερη προσέγγιση ασχολείται με την εκτίμηση καναλιού με την χρήση τεχνικών παρεμβολής. Η μελέτη των τεχνικών παρεμβολής οδήγησε στον προσδιορισμό των βασικών προβλημάτων τους και στην πρόταση νέων τεχνικών εκτίμησης καναλιού. Αρχικά προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης μέσω αντικατάστασης των εικονικών υποφορέων του συστήματος με πιλότους. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μια νέα μαθηματική ανάλυση η οποία προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά της απόδοσής του. Τέλος η απόδοση της εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε ιδιαίτερα δύσκολες συνθήκες. Στην συνέχεια προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης καναλιού μέσω παρεμβολής η οποία χρησιμοποιεί παραπάνω από ένα σύμβολα OFDM για την εκτίμηση του καναλιού. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μία νέα μαθηματική ανάλυση η οποία εμπεριέχει την επίδραση της χρονικής μεταβολής του καναλιού στην απόδοση του συστήματος. Η απόδοση και αυτής της μεθόδου εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε δύσκολες συνθήκες. Τέλος ο τρίτος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της διαδικασίας υλοποίησης και βελτιστοποίησης των προτεινόμενων αλγορίθμων εκτίμησης ρεαλιστικά συστήματα υλικού. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε η υλοποίηση μέρους των προηγούμενων προτεινόμενων αλγορίθμων σε ένα σύστημα ψηφιακής επεξεργασίας, το οποίο είναι πολύ κοντά στο να θεωρείται μια ρεαλιστική υλοποίηση. Έτσι είναι εφικτή η μελέτη των επιλογών της υλοποίησης και των συμβιβασμών της για την βέλτιστη απόδοση του συστήματος. / This dissertation deals with the study of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) transmission. OFDM is a mature technology with a proven ability to offer high data transmission rates with particularly big effectiveness even in difficult transmission environments. This is also reflected by its very big infiltration in the market with its incorporation in a lot of commercial products. However the modern needs of communications ordain even bigger effectiveness in data transmission and henceforth systems and solutions that have been proposed 2 or 3 years before are considered ineffective. Main point for the achievement of increase in the effectiveness of the system constitutes the ability of adaptation of the system in the transmission conditions. The transmission conditions are mainly characterized by the wireless channel. In order to achieve the highest effectiveness the system must be able to estimate the channel characteristics and to adjust its transmission characteristics accordingly. Such an adaptive system has a significant advantage compared to a non adaptive system which faces each case with a uniform and not optimal way. Another important problem that all communication systems face, including OFDM, is the difference in the performance of an algorithm between its software simulation and it hardware implementation. The present dissertation has three objectives. The first objective is to study the transmission channel and investigate its main characteristics. The estimation of these characteristics will constitute the coarse channel estimation. Then the system will be able to adapt itself optimally. The result of this study is to decide that the factors that coarsely describe the channel are the signal to noise ratio, the Doppler frequency, delay spread and the Ricean channel K factor. Then new algorithms were developed to estimate each one of these factors. Through the proposed algorithms the system will be able to estimate the transmission conditions and be adapted suitably. The second objective of this dissertation is to study the exact channel estimation and the way that the system performance can be enhanced through it. For this study two different approaches were selected. The first approach deals with the detailed estimation of the channel characteristics such as the number of the paths and their placement in time. Then these elements are used to get the channel estimation coefficients. The second approach deals with the channel estimation through interpolation. The study of interpolation methods led to the determination of their basic problems and the proposal of new channel estimation techniques. Firstly a novel channel estimation is proposed through the replacement of virtual subcarriers with pilots. For this method a novel mathematic analysis is given that determines its performance characteristics. Finally its performance is examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Then another novel channel estimation method through interpolation is proposed that uses more than one OFDM symbol to estimate the channel. For this novel method a novel mathematic analysis is given which includes the effect of the time variant channel. The performance of this method is also examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Finally the third objective is to study the implementation and optimization process of the proposed estimation algorithms in realistic hardware systems. For this it was selected to implement a part of the previously proposed algorithms in a digital signal processing system that is very close to be considered a realistic implementation. This way it is feasible to study the implementation choices that have to be made and the trade offs for the optimum performance of the system.

During the past years wireless communications have been exhibiting an increased growth rendering them the most common way for communication. The continuously increasing demand for wireless services resulted in limited availability of the wireless spectrum. To this end, Cognitive Radio (CR) techniques have been proposed in literature during the past years. The concept of CR approach is to utilize advanced radio and signal-processing technology along with novel spectrum allocation policies to enable new unlicensed wireless users to operate in the existing occupied spectrum areas without degrading the performance of the existing licensed ones. Moreover, the broadcast and fading nature of the wireless channel results in severe degradation on the performance of wireless transmissions. A solution to the problem is the use of multiple-antenna systems so as to achieve spatial diversity. However, in many cases, the communication devices' nature permit the support of multiple antennas due to size, power consumption, and hardware limitations. To this end, cooperative communications provide an alternative way to achieve spatial diversity via virtual antenna arrays formed by single antenna nodes. It is noteworthy that cooperation has an important role within the CR literature as many techniques developed within its context exploiting the benefits of cooperation in order to achieve improved performance. Therefore, the aim of the present dissertation is to develop efficient and practical cognitive, cooperative and cognitive cooperative schemes. More specifically the contributions are the following ones. The first contribution is a novel CR communication scheme. During the past years numerous CR communication schemes have been presented in literature. To the best of our knowledge, the majority of them were developed assuming perfect Channel State Information (CSI) at the unlicensed user's side. There are several cases where the licensed users do not desire any interaction with the unlicensed ones. In such cases, the assumption that the unlicensed user can obtain CSI that concerns the licensed user channels is not valid and as a result the corresponding communication technique cannot be applied. Therefore, at first we propose an novel CR communication scheme that requires CSI that can be estimated in a completely blind manner. Then, the corresponding blind estimation scheme is developed. Another significant contribution is the theoretical results that have been derived for both the perfect CSI case and the imperfect CSI case (when the blind estimation scheme is employed for obtaining the corresponding CSI). Especially, the theoretical results that concern the imperfect CSI case are some of the first ones that appear in the relevant literature, to the best of our knowledge. The second contribution is a decentralized adaptive Eigenvalue-Based spectrum Sensing (EBSS) technique for multi-antenna CR Systems. Spectrum Sensing is a fundamental functionality in CR systems. In general, the unlicensed user employs a spectrum sensing technique in order to detect licensed user(s) activity in scenarios where the former user is permitted to establish a communication link only via spectrum areas that are temporarily free of the latter one's transmissions. EBSS techniques are known to achieve good performance and also to be applicable in a completely blind manner. In the literature so far, only batch and centralized cooperative EBSS techniques have been considered which, however, suffer from limitations that render them impractical in several cases such as, when time-varying channels are involved or continuous spectrum monitoring is required. Thus, the aim here is to develop practical cooperative adaptive versions of typical Eigenvalue-Based Spectrum Sensing (EBSS) techniques which could be applied in a completely decentralized manner and cope well in time-varying scenarios. To this end, at first, novel adaptive EBSS techniques are developed for the Maximum Eigenvalue Detector (MED), the Maximum-Minimum Eigenvalue Detector (MMED), and the Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) schemes, respectively, for a single-user (no cooperation) case. Then, a novel distributed subspace tracking method is proposed which enables the cooperating nodes to track the joint subspace of their received signals. Based on this method, cooperative decentralized versions of the adaptive EBSS techniques are subsequently developed that overcome the limitations of the existing batch centralized approaches. The third contribution is a new cooperative scheme for half-duplex uplink transmission. The technique is based on a virtual MIMO structure formed by the single antenna source and relays nodes along with the multi-antenna base station which is the destination node. The new technique aims at providing increased diversity and multiplexing gains, contrariwise to existing approaches where the proposed techniques achieve increased diversity gain at the cost of severe multiplexing gain loss. The theoretical outage probability and the corresponding Diversity Multiplexing Trade-off (DMT) curve of the proposed technique are also derived. The final contribution is two novel algorithms which enable the relay cooperation for the distributed computation of the beamforming weights in a blind and adaptive manner, without the need to forward the data to a fusion center. The proposed algorithms are constituent parts of two corresponding distributed beamforming schemes for relay networks that distribute the computational overhead equally among the relay nodes. In the first scheme, the beamforming vector is computed through minimization of the total transmit power subject to a receiver quality-of-service constraint (QoS). In the second scheme, the beamforming weights are obtained through maximization of the receiver signal-to-noise-ration (SNR) subject to a total transmit power constraint. The proposed approaches achieve close performance to the one of the optimal beamforming solutions derived assuming perfect channel state information at the relays' side. / Τα τελευταία χρόνια, οι ασύρματες επικοινωνίες γνωρίζουν ραγδαία ανάπτυξη και ουσιαστικά αποτελούν τον πιο κοινό τρόπο επικοινωνίας. Η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για υπηρεσίες ασύρματων επικοινωνιών έχει ως αποτέλεσμα την περιορισμένη διαθεσιμότητα του ασύρματου φάσματος συχνοτήτων. Για να αντιμετωπισθεί το προηγούμενο πρόβλημα, προτάθηκαν στο πρόσφατο παρελθόν τεχνικές στα πλαίσια των συστημάτων γνωσιακών κόμβων (Cognitive Radio- CR). Η βασική ιδέα ενός συστήματος CR είναι να χρησιμοποιήσει προηγμένες τεχνικές επικοινωνιών και επεξεργασίας σήματος μαζί με νέες τεχνικές ανάθεσης συχνοτήτων φάσματος για να επιτρέψει σε νέους μη αδειοδοτημένους ασύρματους χρήστες να λειτουργήσουν σε συχνότητες φάσματος που έχουν ανατεθεί σε αδειοδοτημένους χρήστες χωρίς να επηρεάζουν την επίδοση των τελευταίων. Επιπλέον, η ισχυρή παρεμβολή στις ασύρματες μεταδόσεις και η επίσης ισχυρή εξασθένιση του σήματος ενός ασύρματου συστήματος επικοινωνιών έχουν ως αποτέλεσμα τη σημαντική υποβάθμιση της επίδοσης των ασυρμάτων επικοινωνιών. Μια λύση στο προηγούμενο πρόβλημα μπορεί να δοθεί με την χρήση πολλαπλών κεραιών για την επίτευξη χωρικής ποικιλομορφίας. Σε πολλές περιπτώσεις όμως, η φύση των τηλεπικοινωνιακών συσκευών δεν επιτρέπει την υποστήριξη των πολλαπλών κεραιών λόγω περιορισμών στο μέγεθος της συσκευής, στην κατανάλωση ισχύος και στο υλικό. Ένας εναλλακτικός τρόπος για την επίτευξη χωρικής ποικιλομορφίας είναι μέσω των συνεργατικών επικοινωνιών (Cooperative Communications) οι οποίες σχηματίζουν γενικευμένα συστήματα πολλαπλών κεραιών από συστήματα μιας κεραίας. Είναι αξιοσημείωτο ότι η συνεργασία παίζει σημαντικό ρόλο στη βιβλιογραφία των συστημάτων CR, βάσει της οποίας αναπτύσσονται τεχνικές μετάδοσης με βελτιωμένη επίδοση. Επομένως, ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη αποδοτικών και πρακτικών τεχνικών γνωσιακών, συνεργατικών και γνωσιακών-συνεργατικών τεχνικών επικοινωνίας. Πιο συγκεκριμένα, η συνεισφορά της διατριβής μπορεί να χωριστεί στα ακόλουθα σκέλη. Στο πρώτο σκέλος παρουσιάζουμε μια νέα τεχνική μετάδοσης για CR συστήματα. Στο πρόσφατο παρελθόν, μια πληθώρα τεχνικών μετάδοσης για CR συστήματα έχει παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία. Η πληθώρα των τεχνικών αυτών έχει αναπτυχθεί υποθέτοντας τέλεια γνώση της κατάστασης των εμπλεκόμενων ασύρματων τεχνικών (Channel State Information – CSI) στην πλευρά των μη αδειοδοτημένων χρηστών. Υπάρχουν, όμως, αρκετές περιπτώσεις στις οποίες οι αδειοδοτημένοι χρήστες δεν επιθυμούν καμία αλληλεπίδραση με τους αντίστοιχους μη αδειοδοτημένους. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η υπόθεση ότι ο μη αδειοδοτημένος χρήστης έχει πρόσβαση σε CSI που σχετίζεται με τα κανάλια του αντίστοιχου αδειοδοτημένου δεν είναι έγκυρη με αποτέλεσμα η σχετική τεχνική μετάδοσης να μην μπορεί να εφαρμοστεί. Συνεπώς, αρχικά προτείνουμε ένα καινοτόμο CR επικοινωνιακό σχήμα που απαιτεί CSI το οποίο μπορεί να υπολογισθεί με έναν εντελώς τυφλό τρόπο. Έπειτα η αντίστοιχη τυφλή τεχνική εκτίμησης αναπτύσσεται. Μια άλλη σημαντική συνεισφορά είναι τα θεωρητικά αποτελέσματα τα οποία έχουν εξαχθεί τόσο για την τέλεια CSI περίπτωση, όσο και για τη μη τέλεια CSI περίπτωση (όταν το τυφλό σχήμα εκτίμησης χρησιμοποιείται για την απόκτηση της αντίστοιχης CSI). Ειδικότερα, τα θεωρητικά αποτελέσματα τα οποία αφορούν τη μη τέλεια CSI περίπτωση είναι μερικά από τα πρώτα τα οποία εμφανίζονται στη σχετική βιβλιογραφία, από όσο γνωρίζουμε. Το δεύτερο σκέλος αφορά μια απόκεντρικοποιημένη προσαρμοστική τεχνική επισκόπησης φάσματος ιδιοτιμών (Eigenvalue-Based Spectrum Sensing – EBSS) για συστήματα CR πολλαπλών κεραιών. Γενικά, ο μη αδειοδοτημένος χρήστης χρησιμοποιεί μία τεχνική επισκόπησης φάσματος προκειμένου να ανιχνεύσει την δραστηριότητα των αδειοδοτημένων χρηστών σε σενάρια όπου ο πρώτος επιτρέπεται να μεταδώσει μόνο διαμέσου περιοχών φάσματος οι οποίες είναι προσωρινά ελέυθερες από μεταδόσεις του δεύτερου. Είναι γνωστό ότι οι τεχνικές EBSS επιτυγχάνουν καλή επίδοση και είναι εφαρμόσιμες με ένα εντελώς τυφλό τρόπο. Στην βιβλιογραφία μέχρι στιγμής, έχουν μελετηθεί μόνο κεντρικοποιημένες συνεργατικές τεχνικές και τεχνικές τύπου batch οι οποίες υποφέρουν από περιορισμούς που τις καθιστούν μη πρακτικές σε αρκετές περιπτώσεις όπως όταν εμπλέκονται χρονικά μεταβαλλόμενα κανάλια ή όταν απαιτείται συνεχής παρακολούθηση του φάσματος. Συνεπώς, ο σκοπός εδώ είναι η ανάπτυξη πρακτικών συνεργατικών και προσαρμοστικών εκδοχών τυπικών EBSS οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν με ένα εντελώς αποκεντρικοποιημένο τρόπο και αποδίδουν καλά σε σενάρια που εμπλέκουν χρονικά μεταβαλλόμενα κανάλια. Προς αυτή την κατεύθυνση αναπτύσσονται αρχικά, νέες προσαρμοστικές εκδοχές για τις τεχνικές Maximum Eigenvalue Detector (MED), Maximum-Minimum Eigenvalue Detector (MMED) και την Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) αντίστοιχα για την περίπτωση του ενός χρήστη. Έπειτα μια νέα μέθοδος κατανεμημένης παρακολούθησης υποχώρου προτείνεται, η οποία επιτρέπει στους συνεργαζόμενους κόμβους να παρακολουθούν τον κοινό υποχώρο των ληφθέντων σημάτων τους. Με βάση αυτή την μέθοδο, συνεργατικές και αποκεντρικοποιημένες εκδοχές των προσαρμοστικών EBSS τεχνικών αναπτύσσονται οι οποίες ξεπερνούν τους περιορισμούς των υπαρχόντων κεντρικοποιημένων τεχνικών τύπου batch. Το τρίτο σκέλος είναι μια νέα συνεργατική τεχνική για half-duplex uplink μετάδοση. Αυτή η τεχνική βασίζεται σε ένα γενικευμένο σύστημα πολλαπλών κεραιών σχηματιζόμενο από την μιας κεραίας πηγή και κόμβους συνεργατών μαζί με το σταθμό βάσης πολλαπλών κεραιών ο οποίος είναι και ο κόμβος προορισμός. Η νέα τεχνική στοχεύει στο να παρέχει αυξημένα κέρδη ποικιλομορφίας και πολυπλεξίας, σε αντίθεση με υπάρχουσες τεχνικές οι οποίες επιτυγχάνουν αυξημένα κέρδη ποικιλομορφίας σε βάρος του κέρδους ποικιλομορφίας. Η θεωρητική πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας και η αντίστοιχη καμπύλη Diversity Multiplexing Tradeoff (DMT) της προτεινόμενης τεχνικής υπολογίζονται. Το τελευταίο σκέλος είναι δύο νέοι αλγόριθμοι, οι οποίοι επιτρέπουν την ενδο-συνεργασία των συνεργατικών κόμβων για τον κατανεμημένο υπολογισμό των βαρών της τεχνικής προσανατολισμένης επικοινωνίας με τυφλό και προσαρμοστικό τρόπο χωρίς την ανάγκη προώθησης των δεδομένων σε έναν κόμβο σταθμό. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι είναι συστατικά στοιχεία δύο αντίστοιχων τεχνικών προσανατολισμένης επικοινωνίας για δίκτυα συνεργατών τα οποία κατανέμουν τον υπολογιστικό φόρτο ισότιμα στους συνεργαζόμενους κόμβους. Στο πρώτο σχήμα το διάνυσμα βαρών υπολογίζεται ώστε να ελαχιστοποιείται η συνολική ισχύς μετάδοσης υπό έναν περιορισμό στην ποιότητα μετάδοσης. Το δεύτερο σχήμα, το διάνυσμα βαρών υπολογίζεται ώστε να μεγιστοποιείται το SNR του υπό έναν περιορισμό στην επιτρεπόμενη συνολική ισχύς μετάδοσης. Οι προτεινόμενες τεχνικές επιτυγχάνουν επίδοση κοντινή σε εκείνη των βέλτιστων λύσεων, οι οποίες έχουν υπολογισθεί υποθέτοντας τέλειο CSI στους κόμβους συνεργάτες.

Σε αυτή την εργασία μελετάμε τους αλγορίθμους που χρησιμοποιούνται στην αποκωδικοποίηση των LDPC, με έμφαση στους κώδικες του προτύπου 802.11n. Αντιμετωπίζουμε τις δυσκολίες που αντιμετωπίζουν στην υλοποίηση στο υλικό, κυρίως στην εκτέλεση αριθμητικών πράξεων, και προτείνουμε πρακτικές λύσεις. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα εκτενών εξομοιώσεων, καταλήγουμε στις βέλτιστες παραμέτρους που θα έχουν οι προτεινόμενες υλοποιήσεις. / In this thesis, we study the LDPC decoding algorithms, with emphasis on the 802.11n standard codes. We tackle the hardware implementation difficulties, especially those related to arithmetic computations, and propose practical solutions. Leveraging the results of extensive simulations, we find the optimal parameters of the proposed implementations.

Η μετάδοση δεδομένων µέσω ασύρματων δικτύων αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα αντικείμενα μελέτης στον χώρο των τηλεπικοινωνιών τα τελευταία χρόνια. Λόγω του μεγάλου όγκου δεδομένων που απαιτείται για μετάδοση μέσα σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα, απαιτείται η εφαρμογή όσο το δυνατόν αποδοτικότερης κωδικοποίησης και διαμόρφωσης, σκοπεύοντας παράλληλα στην επίτευξη μικρής κατανάλωσης ισχύος και ταυτόχρονα υψηλού throughput. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, σχεδίαση και την υλοποίηση της αρχιτεκτονικής ενός OFDM συστήματος, βασισμένο στις προδιαγραφές που ορίζει το πρότυπο IEEE802.11. Το πρότυπο αυτό επιλέχθηκε, καθώς τυγχάνει ευρείας αποδοχής, όσον αφορά τη μετάδοση δεδομένων σε ασύρματα δίκτυα. Στα πλαίσια της διπλωματικής παρουσιάζονται εξομοιώσεις και μετρήσεις για την εύρεση των κατάλληλων χαρακτηριστικών και του τύπου των φίλτρων που χρησιμοποιούνται σε ένα OFDM σύστημα, ενώ εισάγονται δύο νέες αρχιτεκτονικές του τμήματος κατασκευής του OFDM συμβόλου, καθώς και τα αποτελέσματα της σύνθεσης αυτών. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στη σχεδίαση και την υλοποίηση των αρχιτεκτονικών αυτών με σκοπό την ενσωμάτωσή τους σε συσκευές FPGA. / Transmission of data through wireless networks is one of the most important aspects in the study telecommunications systems. The large volume of data that needs to be transmitted in a very small time interval has resulted in the need to make the system more efficient while increasing the throughput. This has been accomplished through more efficient coding, reduction of the power consumption and through the use of modulation. This masters thesis deals with the study, design and implementation of the typical OFDM system architecture, based on the standard IEEE802.11. This standard was chosen because of its wide acceptance and use regarding transmission of data in wireless networks. The thesis details the adjustments and measurements needed for determining suitable characteristics and the types of filters required in an OFDM system. Additionally two new OFDM system architectures arte introduced aiming at reducing the overall power consumption and the complexity of the formulae used for symbol construction. Particular importance is given in the designing and the implementation of these architectures regarding their incorporation in FPGA devices.

Τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρησιμοποίηση πολλαπλών κεραιών εκπομπής και πολλαπλών κεραιών λήψης (Multiple Input Multiple Output, MIMO) στις τηλεπικοινωνίες προκάλεσαν εκτεταμένο ενδιαφέρον μελέτης από την επιστημονική κοινότητα και υιοθετήθηκαν σε πολλές εφαρμογές της καθημερινής μας ζωής. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφονται με συντομία τα πλεονεκτήματα της τεχνολογία MIMO και πώς μπορεί να βελτιώσει τη ποιότητα επικοινωνίας. Όπως σε κάθε τεχνολογία υπάρχουν και οι αντίστοιχοι περιορισμοί που δημιουργούνται λόγω διαφόρων φαινομένων μετάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων όπως διαλείψεις (fading), σκίαση (shadowing) και απώλειες διαδρομής (path loss). Τα φαινόμενα αυτά είναι απαραίτητο να μελετηθούν προκειμένου να αναπτυχθούν καλύτεροι αλγόριθμοι επικοινωνίας πομπού και δέκτη βελτιώνοντας τη ποιότητα επικοινωνίας. Για τη μελέτη αυτών των φαινομένων είναι απαραίτητη η ανάπτυξη διάταξης πομπού - δέκτη (test-bed) που υιοθετεί τη τεχνολογία MIMO και επιτρέπει τη περεταίρω μελέτη του συστήματος. Στο Κεφάλαιο 3 αναφέρονται τα βασικά χαρακτηριστικά της σχεδίασης ενός ασύρματου συστήματος. Αναλύεται η δημιουργία των προδιαγραφών βάσει των απαιτήσεων της εφαρμογής και η επιλογή των χαρακτηριστικών στο πομπό και στο δέκτη. Επιπλέον γίνεται εκτεταμένη αναφορά στους περιορισμούς και στα προβλήματα που δημιουργούνται σε αναλογικά συστήματα πομπών – δεκτών και τρόποι αύξησης της απόδοσής τους. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται το υλοποιημένο ενσύρματο σύστημα τεχνολογίας ΜΙΜΟ και οι τροποποιήσεις που έγιναν για την ενσωμάτωση του ασύρματου RF υποσυστήματος. Στη συνέχεια αναλύεται η αρχική μελέτη του RF υποσυστήματος και τα αναμενόμενα χαρακτηριστικά του με τη βοήθεια προσομοιώσεων (simulations). Τέλος παρατίθεται η τελική συσκευή που αναπτύχθηκε, τα θέματα που παρουσιάστηκαν κατά τη διάρκεια κατασκευής τους αλλά και τρόποι αντιμετώπισής τους και παραδοχές που έγιναν. Το Κεφάλαιο 5 αναφέρεται στις μετρήσεις που έγιναν σε πραγματικές συνθήκες. Οι μετρήσεις αφορούν αξιολόγηση των αναλογικών συσκευών πομπού – δέκτη ξεχωριστά αλλά και όλο το σύστημα μαζί. Το Κεφάλαιο 6 κάνει αναφορά στο τελικό χαμηλοπερατό ενεργό φίλτρο που αναπτύχτηκε για τη συγκεκριμένη εφαρμογή ενώ το Κεφάλαιο 7 περιγράφει το σχεδιασμό ενός αποκλειστικού, ειδικά σχεδιασμένου, τροφοδοτικού για τις ανάγκες τροφοδοσίας των συσκευών. / The benefits arising from the use of multiple transmitter antennas and multiple receiver antennas (Multiple Input Multiple Output, MIMO) in the field of telecommunications caused extensive interest and became subject of study by the scientific community and adopted in many applications in our daily life. Chapter 2 describes briefly the advantages of MIMO technology and how it can improve the quality of communication. As with any technology there are restrictions caused by various transmission phenomena of electromagnetic waves such as fading, shadowing and path loss. These phenomena need to be studied in order better algorithms can be developped and improve communication quality. A transmitter – receiver set up which adopts MIMO technology (test-bed) is necessary in order to study these phenomena and enable further research in the system. In chapter 3 the basic design concepts of a wireless system are presented. Thorough analysis has been made in many issues such as the creation of specifications based on application requirements, the selection of features in the transmitter and receiver, the limitations and problems arising in analog systems and ways to increase their performance. Chapter 4 describes the implemented wired MIMO system, the changes made to integrate the wireless RF subsystem, the initial study of the RF subsystem and the expected characteristics according the simulations. Finally the device developped is presented along with the issues encountered during construction and the solutions found to resolve them. Chapter 5 refers to measurements made in the field (indoor conditions). The evaluation of the analog devices transmitter and receiver has been done both separately and the whole system. Chapter 6 refers to the final low pass active filter that was developed for the specific application while Chapter 7 describes the design of a unique, specially designed, power supply for the power needs of the devices.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε τα πλεονεκτήματα που επιφέρει η χρήση πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στον δέκτη, κατά την μετάδοση, με στόχο την βελτίωση των παρεχομένων υπηρεσιών στο χρήστη. Στο Κεφάλαιο 1, γίνεται μια ιστορική αναδρομή των ασύρματων επικοινωνιών καθώς των σύγχρονων ασύρματων τεχνολογιών και κεραιών που χρησιμοποιούνται. Στη συνέχεια γίνεται μια αναφορά στις έννοιες του διαφορισμού, του κέρδους διάταξης και της χωρικής πολυπλεξίας οι οποίες συνδέονται άρρηκτα με τα συστήματα MIMO. Στο Κεφάλαιο 2, αναφερόμαστε σε όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά που περιγράφουν το ασύρματο κανάλι και εξάγουμε την γραμμική σχέση εισόδου-εξόδου του ασύρματου καναλιού. Στην συνέχεια γίνεται μια ανάλυση των στοχαστικών μοντέλων περιγραφής του ασύρματου διαύλου διαλείψεων και πιο συγκεκριμένα των μοντέλων Rayleigh και Rice. Στο Κεφάλαιο 3 εξετάζουμε την αξιοπιστία διαφόρων τύπων κεραιοσυστημάτων, ως προς τον ρυθμό των ρυθμό των λανθασμένων συμβόλων στον δέκτη. Πιο συγκεκριμένα εξετάζεται η τεχνική Maximal Ratio Combining για τα συστήματα SIMO καθώς και του σχήματος Alamouti για τα συστήματα ΜISO. Συνεχίζοντας στα MIMO συστήματα αναλύουμε τις μεθόδους ισοστάθμισης για την ανάκτηση των δεδομένων, και πιο συγκεκριμένα τις τεχνικές Zero Forcing, Minimum Mean Square Error,V-Blast και καθώς και την βέλτιστη τεχνική Maximum Likelihood. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας αναλύουμε τα πλεονεκτήματα των MIMO συστημάτων, ως προς την χωρητικότητα που προσφέρουν, σε στοχαστικά κανάλια διαλείψεων.Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στην μέθοδο SVD και στην αναπαράσταση του MIMO καναλιού από έναν αριθμό ανεξάρτητων SISO διαύλων. Κλείνοντας αναφέρουμε την μέθοδο βέλτιστης κατανομής ισχύος στις κεραίες του πομπού Water-filling, και στην περαιτέρω αύξηση της χωρητικότητας του διαύλου που προσφέρει. / In this diploma thesis we are investigating the benefits of using Multiple Input and Multiple Output antennas in information transmission, with final goal to improve Quality of Service. The first Chapter, includes a historical background of the wireless communications but also is a reference to the modern wireless and antenna technologies. Moreover, we introduce the definition of new concepts, such as diversity and array gain and also spatial multiplexing, which are closely connected with MIMO technology. In the second chapter, we introduce the characteristics which they are describe the wireless channel, while simultaneously we mention the linear input-output relationship of the wireless channel. Additionally, we analyze the stochastic wireless channel models, namely the Rayleigh and the Rician fading models. In the third chapter, we investigate the reliability of different types of antenna topologies, regarding the pace of the invalid symbols in the transmitter. More specifically, we examine the Maximal Ratio Combining and Alamouti technique, for SIMO and MISO systems respectively. The next step is to analyze the equalization methods, which are used in MIMO antennas, and more specifically are, Zero Forcing, Minimum Mean Square Error and V-Blast receivers, but also the optimal Maximum Likelihood equalizer. In the last part of this Thesis, we investigate the benefits of MIMO systems regarding the Capacity, in random channels. Also, a reference to the SVD method has been made,which we use to analyze the MIMO channel, in a number of parallel SISO channels. Lastly, we use the water-filling method to allocate, with the optimal way, the given power in the transmit antennas, a fact that leads to even greater Capacity gain.

Wireless communication systems require advanced techniques at the transmitter and at the receiver that improve the performance in hostile radio environments. The received signal is significantly distorted due to the dynamic nature of the wireless channel caused by multipath fading and Doppler spread. In order to mitigate the negative impact of the channel to the received signal quality, techniques as equalization and diversity are usually employed in the system design. During the transmission, the phenomenon of inter-symbol interference (ISI) occurs at the receiver due to the time dispersion of the involved channels. Hence, several delayed replicas of previous symbols interfere with the current symbol. Equalization is usually employed in order to combat the effect of the ISI. Several implementations for equalization filters have been proposed, including linear and non-linear processing, providing complexity-performance trade-offs. It is known that the length of the equalization filter determines the complexity of the technique. Since the wireless channels are characterized by long and sparse impulse responses, the conventional equalizers require high computational complexity due to the large size of their filters. In this dissertation, we have further investigated the long standing problem of equalization in light of the recently derived theory of compressed sampling (CS) for sparse and redundant representations. The developed heuristic algorithms for equalization, can exploit either the sparsity of the channel impulse response (CIR), or the sparsity of the equalizer filters, in order to derive efficient implementation designs. To this end, building on basis pursuit and matching pursuit techniques new equalization schemes have been proposed that exhibit considerable computational savings, increased performance properties and short training sequence requirements. Our main contribution for this part is the Stochastic Gradient Pursuit algorithm for sparse adaptive equalization. An alternative approach to combat ISI is based on the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. In this system, the entire channel is divided into many narrow subchannels, so as the transmitted signals to be orthogonal to each other, despite their spectral overlap. However, in the case of doubly selective channels, the Doppler effect destroys the orthogonality between subcarriers. Thus, similarly to ISI, the effect of intercarrier interference (ICI) is introduced at the receiver, where symbols which belong to other subcarriers interfere with the current one. Considering this problem, we have developed iterative algorithms which recursively cancels the ICI at the receiver, providing performance-complexity trade-offs. For low or medium Doppler spreads, the typical approach is to approximate the frequency-domain channel matrix with a banded one. On this premise, we derived reduced-rank preconditioned conjugate gradient (PCG) algorithms in order to estimate the equalization matrix with a reduced number of iterations. Also developed an improved PCG algorithm with the same complexity order, using the Galerkin projections theory. However, in rapidly changing environments, a severe ICI is introduced and the banded approximation results in significant performance degradation. In order to recover this performance loss, we developed regularized estimation framework for ICI equalization, with linear complexity with respect the the number of the subcarriers. Moreover, we proposed a new equalization technique which has the potential to completely cancel the ICI. This approach works in a successive manner through a number of stages, conveying from the fully-connected ordered successive interference cancellation architecture (OSIC) in order to fully suppress the residual interference at each stage of the equalizer. On the other hand, diversity can improve the performance of the communication system by sending the information symbols through multiple signal paths, each of which fades independently. One approach to obtain diversity is through cooperative transmission, considering a group of nearby terminals (relays) as forming one virtual antenna array and applying a spatial beamforming technique so as to optimize the communication via them. Such beamforming techniques differ from their classical counterparts where the array elements are located in a common processing unit, due to the distribution of the relays in the space. In this setting, we developed new distributed algorithms which enable the relay cooperation for the computation of the beamforming weights leveraging the computational abilities of the relays. Each relay can estimate only the corresponding entry of the principal eigenvector, combining data from its network neighbours. The proposed algorithms are applied to two distributed beamforming schemes for relay networks. In the first scheme, the beamforming vector is computed through minimization of a total transmit power subject to the receiver quality-of-service (QoS) constraint. In the second scheme, the beamforming weights are obtained through maximization of the receiver SNR subject to a total transmit power constraint. Moreover, the proposed algorithms operate blindly, implying that no training data are required to be transmitted to the relays, and adaptively, exhibiting a quite short convergence period. / Τα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών απαιτούν εξειδικευμένες τεχνικές στον πομπό και στον δέκτη, οι οποίες να βελτιώνουν την απόδοση του συστήματος σε εχθρικά περιβάλλοντα ασύρματης μετάδοσης. Λόγω της δυναμικής φύσης του ασύρματου καναλιού, που περιγράφεται από τα φαινόμενα της απόσβεσης, της πολυδιόδευσης και του Doppler, το λαμβανόμενο σήμα είναι παραμορφωμένο σε σημαντικό βαθμό. Για να αναιρέσουμε αυτήν την αρνητική επίδραση του καναλιού στην ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος, κατά τον σχεδιασμό του συστήματος συνήθως υιοθετούνται τεχνικές όπως η ισοστάθμιση και η ποικιλομορφία. Ένα φαινόμενο που προκύπτει στο δέκτη ενός ασύρματου συστήματος επικοινωνίας, λόγω της χρονικής διασποράς που παρουσιάζουν τα κανάλια, είναι η διασυμβολική παρεμβολή, όπου χρονικά καθυστερημένα αντίγραφα προηγούμενων συμβόλων παρεμβάλουν με το τρέχων σύμβολο. Ένας τρόπος για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού, είναι μέσω της ισοστάθμισης στο δέκτη, όπου χρησιμοποιώντας γραμμικές και μη-γραμμικές τεχνικές επεξεργασίας, τα μεταδιδόμενα σύμβολα ανιχνεύονται από το ληφθέν σήμα. Ωστόσο, συνήθως τα ασύρματα κανάλια χαρακτηρίζονται από κρουστικές αποκρούσεις μεγάλου μήκους αλλά λίγων μη μηδενικών συντελεστών, και σε αυτήν την περίπτωση η υπολογιστική πολυπλοκότητα των συνήθων τεχνικών είναι πολύ υψηλή. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής, αναπτύχθηκαν νέοι ευριστικοί αλγόριθμοι για το πρόβλημα της ισοστάθμισης, οι οποίοι εκμεταλλεύονται είτε την αραιότητα της κρουστικής απόκρισης είναι την αραιότητα του αντιστρόφου φίλτρου, προκειμένου να παραχθούν αποδοτικές υλοποιήσεις. Θεωρώντας τον μη γραμμικό ισοσταθμιστή ανατροφοδότησης-απόφασης, έχει δειχθεί ότι κάτω από συνήθεις υποθέσεις για τους συντελεστές της κρουστικής απόκρισης του καναλιού, το εμπρόσθιο φίλτρο και το φίλτρο ανατροφοδότησης μπορούν να αναπαρασταθούν από αραιά διανύσματα. Για τον σκοπό αυτό, τεχνικές Συμπιεσμένης Καταγραφής, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί κατα κόρον σε προβλήματα ταυτοποίησης συστήματος, μπορούν να βελτιώσουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση κλασσικών ισοσταθμιστών που δεν λαμβάνουν υπόψιν τους την αραιότητα των διανυσμάτων. Έχοντας ως βάση τις τεχνικές basis pursuit και matching pursuit, αναπτύχθηκαν νέα σχήματα ισοσταθμιστών τα οποία παρουσιάζουν αξιοσημείωτη μείωση στο υπολογιστικό κόστος. Επίσης, αντίθετα με τη συνήθη πρακτική ταυτοποίησης συστήματος, αναπτύχθηκε νέος ευριστικό αλγόριθμος για το πρόβλημα αραιής προσαρμοστικής ισοστάθμισης, με την ονομασία Stochastic Gradient Pursuit. Επιπλέον, ο αλγόριθμος αυτός επεκτάθηκε και για την περίπτωση όπου ο αριθμός των μη μηδενικών στοιχείων του ισοσταθμιστή είναι άγνωστος. Μία διαφορετική προσέγγιση για την αντιμετώπιση του φαινομένου της διασυμβολικής παρεμβολής είναι μέσω του συστήματος orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), όπου το συνολικό κανάλι χωρίζεται σε πολλά στενά υπο-κανάλια, με τέτοιον τρόπο ώστε τα μεταδιδόμενα σήματα να είναι ορθογώνια μεταξύ τους, παρότι παρουσιάζουν φασματική επικάλυψη. Ωστόσο, σε χρονικά και συχνοτικά επιλεκτικά κανάλια, το φαινόμενο Doppler καταστρέφει την ορθογωνιότητα των υπο-καναλιών. Σε αυτήν την περίπτωση, παρόμοια με το φαινόμενο της διασυμβολικής παρεμβολής, εμφανίζεται το φαινόμενο της διακαναλικής παρεμβολής, όπου τα σύμβολα που ανήκουν σε διαφορετικά υπο-κανάλια παρεμβάλουν στο τρέχον. Θεωρώντας αυτό το πρόβλημα, αναπτύχθηκαν νέα σχήματα ισοστάθμισης που ακυρώνουν διαδοχικά την παρεμβολή αυτή, παρέχοντας έναν συμβιβασμό μεταξύ της απόδοσης και της πολυπλοκότητας. Στις περιπτώσεις όπου το φαινόμενο Doppler δεν είναι τόσο ισχυρό, η συνήθης τακτική είναι η προσέγγιση του πίνακα του καναλιού με έναν πίνακα ζώνης. Με αυτό το σκεπτικό, αναπτύχθηκαν αλγόριθμοι μειωμένης τάξης που βασίζονται στην επαναληπτική μέθοδο preconditioned conjugate gradient (PCG), προκειμένου να εκτιμήσουμε τον πίνακα ισοστάθμισης με έναν μειωμένο αριθμό επαναλήψεων. Επίσης, αναπτύχθηκαν τεχνικές που βασίζονται σε προβολές Galerkin για την βελτίωση της απόδοσης των συστημάτων χωρίς να αυξάνουν σημαντικά την πολυπλοκότητα. Ωστόσο, για τις περιπτώσεις όπου το φαινόμενο Doppler έχει ισχυρή επίδραση στο δέκτη του τηλεπικοινωνιακού συστήματος, όπως στις περιπτώσεις πολύ δυναμικών καναλιών, τότε η προσέγγιση με τον πίνακα ζώνης μειώνει σημαντικά την απόδοση του συστήματος. Με στόχο να ανακτήσουμε την απώλεια αυτή, αναπτύχθηκαν τεχνικές κανονικοποιημένης εκτίμησης, με γραμμική πολυπλοκότητα σε σχέση με τον αριθμό των υπο-καναλιών. Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκε ένα νέο σχήμα ισοστάθμισης που έχει την δυνατότητα να ακυρώσει πλήρως την διακαναλική παρεμβολή. Το συγκεκριμένο σχήμα λειτουργεί βασιζόμενο σε έναν αριθμό διαδοχικών σταδίων, ακολουθώντας την φιλοσοφία της αρχιτεκτονικής fully-connected ordered successive interference cancellation (OSIC), με στόχο να μειώσει την εναπομείναντα παρεμβολή σε κάθε στάδιο του ισοσταθμιστή Η απόδοση ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος μπορεί επίσης να βελτιωθεί με την χρήση τεχνικών ποικιλομορφίας, δηλαδή με την μετάδοση των συμβόλων μέσω πολλών ανεξάρτητων μονοπατιών. Μία τεχνική ποικιλομορφίας είναι η συνεργατική μετάδοση, όπου μία ομάδα κοντινών τερματικών (relays) σχηματίζουν μία εικονική συστοιχία κεραιών και τεχνικές διαμόρφωσης λοβού μετάδοσης χρησιμοποιούνται προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η επικοινωνία μέσω των τερματικών. Οι συγκεκριμένες τεχνικές διαμόρφωσης λοβού μετάδοσης, διαφέρουν από τις κλασσικές όπου η συστοιχία κεραιών βρίσκεται τοποθετημένη σε έναν κόμβο, καθώς τα τερματικά κατανέμονται στον χώρο. Υπό αυτές τις συνθήκες, αναπτύχθηκαν κατανεμημένοι αλγόριθμοι οι οποίοι εκμεταλλεύονται την επικοινωνία και τις υπολογιστικές δυνατότητες των τερματικών για τον υπολογισμό των συνιστωσών του διανύσματος διαμόρφωσης λοβού μετάδοσης. Κάθε τερματικό εκτιμά μόνο την αντίστοιχη συνιστώσα από το κύριο ιδιοδιάνυσμα, συνδιάζοντας δεδομένα από τα γειτονικά τερματικά. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι εφαρμόστηκαν σε δύο σχήματα κατανεμημένης μετάδοσης μέσω ενδιάμεσων κόμβων. Στο πρώτο σχήμα, τα βάρη του διανύσματος διαμόρφωσης λοβού μετάδοσης υπολογίστηκαν με βάση την ελαχιστοποίηση της συνολικής ισχύος μετάδοσης υπό τον περιορισμό συγκεκριμένου κατωφλίου για την ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος. Στο δεύτερο σχήμα, υπολογίστηκαν μεγιστοποιώντας την ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος υπό τον περιορισμό ενός κατωφλίου για την συνολική ισχύ μετάδοσης. Επιπλέον, οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν λειτουργούν τυφλά, δηλαδή χωρίς φάση εκπαίδευσης, και προσαρμοστικά με μικρό διάστημα σύγκλισης.