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

Η 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.

Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής μελετάται η επίδοση συστημάτων διαφορισμού MIMO σε γενικευμένα κανάλια διαλείψεων. Αρχικά, εξετάζεται η επίδοση των OSTBC σε περιβάλλοντα διαλείψεων Hoyt. Αποδεικνύεται ότι, στην περίπτωση τέτοιων συστημάτων, ο σηματοθορυβικός λόγος (signal to noise ratio, SNR) εκφράζεται ως μία τετραγωνική μορφή κανονικών τυχαίων μεταβλητών και γίνεται χρήση της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας και της αθροιστικής συνάρτησης κατανομής αυτής της μορφής για τον υπολογισμό των μετρικών επίδοσης. Επιπλέον, μελετάται η σύγκλιση των σειρών που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των δύο αυτών συναρτήσεων και κατασκευάζονται νέα άνω φράγματα για το σφάλμα αποκοπής των σειρών. Τα φράγματα αυτά είναι σαφώς πιο αυστηρά από τα ήδη γνωστά από τη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, εισάγεται ένα γενικευμένο μοντέλο διαλείψεων για την ανάλυση επίδοσης των OSTBC και των δεκτών MRC και υπολογίζονται όλες οι μετρικές επίδοσης των δύο συστημάτων για το συγκεκριμένο μοντέλο διαλείψεων. Το μοντέλο αυτό περιλαμβάνει ως ειδικές περιπτώσεις τα πλέον διαδεδομένα μοντέλα καναλιών διαλείψεων, ενώ επιπλέον, επιτρέπει την ανάλυση επίδοσης σε μικτά περιβάλλοντα διαλείψεων όπου τα πολλαπλά κανάλια μπορούν να ακολουθούν διαφορετικές κατανομές. Στη συνέχεια, μελετάται η επίδοση συστημάτων συνεργατικού διαφορισμού με χρήση αναμεταδοτών ανίχνευσης και προώθησης (Detect and Forward, DaF) σε περιβάλλοντα διαλείψεων Rayleigh. Εξετάζονται τρεις διαφορετικοί δέκτες και υπολογίζεται η πιθανότητα σφάλματος ανά bit γι' αυτούς. Τέλος προτείνεται ένας νέος δέκτης για συνεργατικά συστήματα DaF και αποδεικνύεται η ανωτερότητά του σε σύγκριση με τους υπόλοιπους μελετώμενους δέκτες. Όλα τα θεωρητικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο πλαίσιο της διατριβής συγκρίνονται με αποτελέσματα προσομοιώσεων Monte Carlo που αποδεικνύουν την ορθότητα της ανάλυσης. / This thesis studies the performance of MIMO diversity systems in generalized fading channels. First, we examine the performance of OSTBC in Hoyt fading channels. It is proven that, for this fading model, and when an OSTBC is employed, the signal-to-noise ratio (SNR) of the OSTBC can be expressed as a quadratic form in normal random variables. Therefore, the performance analysis for OSTBC over Hoyt fading channels is performed using the PDF and the CDF of such quadratic forms. In the statistical literature, these functions are expressed in terms of infinite series. The convergence of the series is thoroughly studied and new expressions for the truncation error bound of these series are proposed. The proposed bounds are much tighter than the bounds that can be found in the literature. The expressions for the PDF and the CDF are then used for the performance analysis of OSTBC over Hoyt fading and several performance metrics are calculated. Then, a generalized fading model for the performance analysis of OSTBC and MRC is proposed and the theoretical performance analysis of both MRC and OSTBC is carried out. The main advantage of this model is the fact that it includes as special cases most of the widely used fading models. Furthermore, the performance of cooperative diversity systems employing Detect and Forward (DaF) relays is studied for Rayleigh fading channels. More specifically, three low complexity detection algorithms for these channels are examined and closed-form expressions of the bit error probability (BEP) for these receivers are derived. Finally, a new low complexity receiver for cooperative systems with DaF relays is proposed. Using Monte Carlo Simulations it is shown that this receiver outperforms the three receivers that have been studied. For the systems studied in the thesis, the performance analysis results that have been derived theoretically are compared with Monte Carlo simulations that prove the validity of the analysis.