Στην παρούσα διπλωματική εξετάζονται τρόποι μετάδοσης δεδομένων στο ασύρματο κανάλι διαλείψεων με χρήση μίας ή περισσότερων κεραιών στον πομπό ή και στο δέκτη. Αρχικά, παρουσιάζεται το μοντέλο του ασύρματου καναλιού. Δίνεται έμφαση στο φαινόμενο των διαλείψεων μικρής κλίμακας, καθώς και στον τρόπο με τον οποίο επηρεάζει τη μετάδοση. Στη συνέχεια, περιγράφονται τεχνικές μετάδοσης στο ασύρματο κανάλι. Πρώτα εξετάζεται η μετάδοση όταν πομπός και δέκτης διαθέτουν μία κεραία ο καθένας (SISO). Στη συνέχεια, μελετάται η μετάδοση με χρήση πολλών κεραιών στο δέκτη (SIMO) ή στον πομπό (MISO) και εισάγεται η έννοια του κέρδους ποικιλότητας (diversity gain) που προσφέρει η μετάδοση SIMO και MISO. Τέλος, παρουσιάζονται τεχνικές μετάδοσης όταν τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης διαθέτουν πολλές κεραίες (MIMO). Σε αυτήν την περίπτωση, εκτός από κέρδος ποικιλότητας δημιουργούνται και πρόσθετοι χωρικοί βαθμοί ελευθερίας. Παρουσιάζονται, επίσης, διάφορες αρχιτεκτονικές πομπού και δέκτη όπως Maximal Ratio Combining (MRC), Maximal Ratio Transmission (MRT), Singular Value Decomposition (SVD) και V-BLAST με δέκτη μέγιστης πιθανοφάνειας (ML), V-BLAST με γραμμικό δέκτη επιβολής μηδενισμών (linear ZF) και V-BLAST με γραμμικό δέκτη ελαχιστοποίησης μέσου τετραγωνικού σφάλματος (linear MMSE). Ακόμη, εισάγεται η έννοια της διαδοχικής εξάλειψης παρεμβολών (SIC) και της ταξινόμησης σε δέκτες SIC (SIC with ordering). Με χρήση προσομοιώσεων συγκρίνεται η απόδοση των τεχνικών μετάδοσης και των αρχιτεκτονικών πομποδέκτη για κανάλια επίπεδων διαλείψεων ως προς το ρυθμό μετάδοσης, την πολυπλοκότητα, τις απαιτήσεις σε γνώση του καναλιού και το ρυθμό σφάλματος συμβόλων και ψηφίων (BER/SER). / Data transmission strategies for the wireless channel are presented that employ one or more antennas at the transmitter and/or the receiver. First, a model is introduced for the wireless channel, focusing on small-scale fading and its effect on transmission. Then strategies for transmission over the wireless channel are described. The single-input single-output (SISO) case where both the transmitter and the receiver employ a single antenna is examined first. Then transmission with multiple antennas at the receiver (SIMO) or the transmitter (MISO) is studied and the concept of diversity gain, which is achieved in SIMO and MISO transmission, is introduced. Finally, transmission strategies are presented that require many antennas at both the transmitter and the receiver. In this case, new spatial degrees of freedom become available, in addition to the diversity gain. Furthermore, transceiver architectures are studied, including Maximal Ratio Combining (MRC), Maximal Ratio Transmission (MRT), Singular Value Decomposition (SVD) and Vertical Bell-Labs Layered Space-Time (V-BLAST) transmission with Maximum-Likelihood (ML) detection, V-BLAST with linear Zero Forcing (ZF) equalization, and V-BLAST with linear Minimum Mean Square Error (MMSE) equalization. The concept of Successive Interference Cancellation (SIC) is also introduced, followed by ordering in SIC detectors (SIC with ordering). Using simulations, the performance of the transmission techniques and the transceiver architectures over flat fading channels is compared with respect to the achievable data rate, the complexity, the requirements for channel state information and the Symbol- and Bit-Error Rate (SER/BER).

Tο αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και σε βάθος ανάλυση και μοντελοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης του ανθρώπινου σώματος και των κεραιών που χρησιμοποιούν οι φορητές τερματικές συσκευές των σύγχρονων συστημάτων κινητής τηλεφωνίας. Ο στόχος είναι διπλός: αφενός μεν να υπολογιστεί η υποβάθμιση της απόδοσης της κεραίας, που προκαλείται από την παρουσία του σώματος του χρήστη σε μικρή απόσταση από αυτή και αφετέρου να εξεταστεί και να προσδιοριστεί επακριβώς το ποσό της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που απορροφάται από το ανθρώπινο σώμα και ειδικότερα από τον ανθρώπινο εγκέφαλο κατά τη χρήση του κινητού τηλεφώνου. Ο απώτερος σκοπός είναι η συμβολή στην ανάπτυξη ασύρματων τερματικών (πχ. κινητά τηλέφωνα) που θα είναι πιο αποδοτικά στη λειτουργία τους και ταυτόχρονα περισσότερο ασφαλή για το χρήστη τους. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε εκτενής μελέτη και ανάλυση των παραμέτρων που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση μεταξύ της κεραίας ασύρματων τερματικών συσκευών και του σώματος του χρήστη. Σχεδιάστηκαν, μοντελοποιήθηκαν, υλοποιήθηκαν και μετρήθηκαν πειραματικά πρωτότυπα τερματικών συσκευών παρουσία ομοιωμάτων του ανθρώπινου κεφαλιού με σκοπό τον υπολογισμό της απορρόφησης ακτινοβολίας από το κεφάλι και της μεταβολής της απόδοσης της κεραίας του τερματικού. Αναπτύχθηκε κατάλληλη μεθοδολογία μετρήσεων στο μακρινό πεδίο για την αξιόπιστη και ακριβή μέτρηση των χαρακτηριστικών των κεραιών του τερματικού. Τα αποτελέσματα έδειξαν έντονη αλλαγή των χαρακτηριστικών της κεραίας και του διαγράμματος ακτινοβολίας της, παρουσία του κεφαλιού του χρήστη. Επίσης, υπολογίστηκε η απότομη πτώση της απορρόφησης ακτινοβολίας και η αύξηση της απόδοσης με την απομάκρυνση του τερματικού από το κεφάλι. Επιτεύχθηκε σημαντική βελτίωση της λειτουργίας μέσω της μορφοποίησης του διαγράμματος ακτινοβολίας που κατορθώνεται με τη χρήση πολλαπλών κεραιών (συστοιχία) στο τερματικό. Τέλος εξετάστηκε η επίδραση του χεριού του χρήστη στην απόδοση ενός ΜΙΜΟ τερματικού και βρέθηκε μείωση της μέσης χωρητικότητας του καναλιού με την παρουσία του χεριού. / Τhe object of this doctoral thesis is the study, in depth analysis and modelling of the electromagnetic interaction between the human body and the antennas used in the handsets of modern wireless telecommunication systems. The aim is twofold. On one hand is the estimation of the antenna efficiency reduction that is caused by the presence of the user’s body in small distance and on the other hand is the study and precise determination of the electromagnetic radiation absorbed by the human body (especially the human head) at the use of a wireless terminal. The final aim is the contribution in the design of wireless terminals (e.g. mobile telephones) that will be more efficient in their operation and simultaneously safer for their user. In this thesis, an extensive study and analysis of the parameters related with the interaction between the wireless terminal antenna and the user’s body were realized. Experimental terminal prototypes were designed, modelled, constructed and measured in the presence of human head models in order to estimate the radiation absorption from the head and the degradation of the antenna efficiency. An appropriate measurements methodology at the far field was developed for the precise measurement of the terminal antenna characteristics. According to the results, an intense change of the antenna characteristics and of its radiation diagram in the presence of the user’s head was observed. Also, the rapid decrease of absorbed power and the increase of the efficiency were calculated after moving the handset away from the head. An important operation improvement was achieved with beamforming, which is realized using multiple antennas at the terminal. Finally, the effect of the user’s hand at MIMO terminal performance was examined and a reduction of the mean capacity of the channel in the presence of the hand was found.

Τα ασύρματα συστήματα πολλαπλών κεραιών MIMO αποτελούν ένα από τα βασικά μέτωπα ανάπτυξης των τηλεπικοινωνιών. Ωστόσο η εξαιρετικά τυχαία φύση τους καθώς και η αλληλεπίδραση μεταξύ των πολλαπλών ροών δεδομένων επιβάλει την χρήση σύγχρονων τεχνικών ισοστάθμισης. Η προσαρμοστική ισοστάθμιση στο δέκτη ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση της δυναμικής φύσης του ασύρματου καναλιού και την ανίχνευση των αλλαγών στα χαρακτηριστικά του. Επίσης, μη γραμμικές τεχνικές ισοστάθμισης ανατροφοδότησης συμβόλων είναι απαραίτητες για την απομάκρυνση της διασυμβολικής παρεμβολής που παρουσιάζεται στα συγκεκριμένα συστήματα. Η παρούσα εργασία ασχολείται με μεθόδους προσαρμοστικής ισοστάθμισης στο δέκτη ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Διακρίνουμε τις εξής περιπτώσεις προσαρμοστικών αλγορίθμων για την ελαχιστοποίηση του σφάλματος, του αλγορίθμου Αναδρομικών Ελαχίστων Τετραγώνων (RLS), του επαναληπτικού αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων (CG) και του επαναληπτικού αλγορίθμου τροποποιημένων Συζυγών Κλίσεων (MCG). Όπως διαπιστώνουμε, όταν οι παραπάνω αλγόριθμοι χρησιμοποιηθούν με γραμμικές τεχνικές ισοστάθμισης έχουμε πολύ αργή σύγκλιση και γενικά υψηλό όριο σφάλματος. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι, προκειμένου να έχουμε γρήγορη σύγκλιση των προσαρμοστικών αλγορίθμων και αντιμετώπιση της διασυμβολικής παρεμβολής για τα συστήματα MIMO, είναι απαραίτητη η χρήση μη γραμμικών τεχνικών ισοστάθμισης. Αρχικά χρησιμοποιούμε την μέθοδο της γενικευμένης ανατροφοδότησης συμβόλων GDFE ενώ στη συνέχεια μελετάμε μία σύγχρονη τεχνική ανατροφοδότησης συμβόλων που χρησιμοποιεί ένα κριτήριο διάταξης για την ακύρωση των συμβόλων (OSIC ή V-BLAST). Όπως διαπιστώνεται και από τις εξομοιώσεις η συγκεκριμένη τεχνική επιτυγχάνει το χαμηλότερο όριο σφάλματος, αλλά με αυξημένο υπολογιστικό κόστος. Επίσης, διαπιστώνουμε ότι η εφαρμογή της τεχνικής αυτής με χρήση του τροποποιημένου αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων δεν είναι εφικτή. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, περιγράφουμε μια συγκεκριμένη υλοποίηση της τεχνικής διατεταγμένης ακύρωσης που κάνει χρήση του αλγορίθμου Αναδρομικών Ελαχίστων Τετραγώνων με μειωμένη πολυπλοκότητα. Στη συνέχεια γενικεύουμε την εφαρμογή της για την περίπτωση των αλγορίθμων Συζυγών Κλίσεων, και διαπιστώνουμε ότι ο τροποποιημένος αλγόριθμος Συζυγών Κλίσεων δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ούτε σε αυτήν την περίπτωση. Για την υλοποίηση ενός συστήματος OSIC με χρήση του αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων είναι απαραίτητη η χρήση ενός αλγορίθμου που δεν έχει χρονική εξάρτηση σύγκλισης, όπως είναι ο βασικός αλγόριθμος Συζυγών Κλίσεων. / Wireless systems with multiple antenna configurations has recently emerged as one of the most significant technical breaktroughs in modern communications. However, because of the extremly random nature of the wireless channels, we have to use modern equalization methods in order to defeat the signal degradation. Adaptive equalization at the receiver of the telecommunication system can be used to compete this dynamic nature of the wireless channel and track the changes of its characteristics. Furthermore, nonlinear decision feedback methods are nessesary for the cancellation of the intersymbol interference which occurs with these systems. This work involves with adaptive equalization methods at the receiver of the telecommunication system. We use the following adaptive algorithms so as to minimize the error : the Recursive Least Squares algorithm (RLS), the iterative Conjugate Gradient algorithm (CG) and the iterative Modified Conjugate Gradient algorithm (MCG). When these algorithms are used with linear methods, they give very slow converge and high final error. So, it is neccessary to use nonlinear equalization methods in order to succeed fast converge rate and deal with the increazed intersymbol interference for MIMO systems. Firstly we use the generalized decision feedback method (GDFE), and then the modern method of ordered successive cancellation method (OSIC or V-BLAST). Based on the emulations we conclude that the last method succeed the lower error, but with high computational cost. Furthermore, we can't use OSIC method with Modified Conjugate Gradient algorithm. In this work, we describe a specific implementation of the OSIC method which uses RLS algorithm with low computational complexity. So we generalize its usage with the Conjugate Gradient algorithms. Finaly, we conclude that we can't also use MCG with OSIC method with low computational complexity. In order to construct an OSIC system based on Conjugate Gradient algorithm, the algorithm must not operate on time basis, like basic Conjugate Gradient algorithm does.

Τα συστήματα που έχουν πολλαπλές κεραίες σε πομπό και δέκτη (ΜΙΜΟ) έχουν την δυνατότητα να επιτύχουν υψηλούς ρυθμούς δεδομένων και αυξημένη αξιοπιστία χωρίς να απαιτείται επιπλέον εύρος ζώνης ή ισχύς μετάδοσης. Η βασική αρχή στην οποία βασίζονται είναι ότι το σήμα που εκπέμπεται από τον πομπό διέρχεται από περισσότερα του ενός ανεξάρτητα κανάλια. Ο δέκτης εκμεταλλευόμενος τις πολλαπλές λήψεις του ίδιου σήματος μπορεί να βελτιώσει την απόδοσή του. Η εισαγωγή πολλαπλών κεραιών σε κάποια συστήματα δεν είναι δυνατό να συμβεί συνήθως λόγω του χώρου που απαιτείται. Παρόλα αυτά, σε αυτό το περιβάλλον επικοινωνίας υπάρχουν συνήθως πολλαπλοί χρήστες που μπορούν να συνεργαστούν και να δημιουργήσουν ένα κατανεμημένο σύστημα ΜΙΜΟ, που αναφέρεται στην βιβλιογραφία ως συνεργατικό (cooperative). Στα συστήματα MIMO έχουν προταθεί τεχνικές προσανατολισμένης επικοινωνίας (beamforming) με σκοπό την ακύρωση των παρεμβολών και του θορύβου στο δέκτη. Οι τεχνικές αυτές απαιτούν την γνώση της κατάστασης του καναλιού αφού πραγματοποιούν διάσπαση της μήτρας των συντελεστών του καναλιού κατά παράγοντες ώστε να εξάγουν τα διανύσματα βάρους με τα οποία θα πολλαπλασιάσουν τις ακολουθίες των συμβόλων που λαμβάνει ο δέκτης ή /και των συμβόλων που μεταδίδει ο πομπός. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η περίπτωση της τεχνικής προσανατολισμένης επικοινωνίας που στηρίζεται στην μέθοδο SVD η οποία πολλαπλασιάζει το διάνυσμα των προς μετάδοση συμβόλων στον πομπό και το διάνυσμα των ληφθέντων συμβόλων στο δέκτη με τα κατάλληλα ιδιάζοντα διανύσματα, επιτυγχάνοντας προσανατολισμένη επικοινωνία λήψης και εκπομπής (transmit και receive beamforming). Όπως αναφέρθηκε, η συγκεκριμένη μέθοδος απαιτεί την γνώση της κατάστασης του καναλιού σε πομπό και σε δέκτη. Για αυτό το σκοπό αρχικά θα μελετηθεί η επίδραση της εκτίμησης του καναλιού στην επίδοση της μεθόδου η οποία διεξάγεται από ένα εκτιμητή μέγιστης πιθανοφάνειας από ακολουθίες συμβόλων εκμάθησης που έχει μεταδώσει ο πομπός. Στην συνέχεια θα εξεταστεί η περίπτωση που τα κανάλια μπορούν να περιγραφούν από ένα μοντέλο πολλαπλών μονοπατιών. Ένα τέτοιο μοντέλο είναι δυνατό να εκτιμηθεί από δείγματα της κρουστικής απόκρισης του καναλιού, βελτιώνοντας περαιτέρω την επίδοση του συστήματος. Επίσης, παρέχει και την δυνατότητα της πρόβλεψης των μεταγενέστερων καταστάσεων του καναλιού, μειώνοντας αρκετά τον αριθμό των συμβόλων εκμάθησης που απαιτούνται. Η εκτίμηση των παραμέτρων του μοντέλου του καναλιού θα γίνει με την βοήθεια της μεθόδου ESPRIT. Τελικά, θα ενσωματωθεί η εκτίμηση του μοντέλου και στην τεχνική προσανατολισμένης επικοινωνίας και θα μελετηθεί η επίδοσή της. Στην συνέχεια θα εφαρμόσουμε την προηγούμενη διάταξη στην περίπτωση των συνεργατικών συστημάτων. Θα εφαρμοστεί λοιπόν, σε ένα τέτοιο σύστημα η τεχνική με την εκτίμηση του μοντέλου του καναλιού και θα αναλυθεί η επίδοσή του για τα δύο πιο γνωστά πρωτόκολλα επικοινωνίας μεταξύ του κόμβου-πηγής και των κόμβων-συνεργατών, το ενίσχυσης και προώθησης και το αποκωδικοποίησης και προώθησης. / The systems that have multiple transmit and receive antennas (MIMO) can achieve high data rates and increased reliability without the need for additional bandwidth or transmission power. The aforementioned is based on the transmission of the signal of the transmitter via multiple independent channels. The receiver can use the multiple versions of the same signal to improve its performance. The introduction of multiple antennas in some systems it is not possible due to the lack of space. On contrast, in a multi-user environment there are users of a single antenna that can cooperate to construct a distributed MIMO system, which are called in the bibliography as a cooperative system. A number of beamforming schemes have already proposed in MIMO systems with the view of interference and noise cancellation. These schemes compute the singular value decomposition of the channel matrix and use the singular vectors to extract the weight vectors that are used to multiply the sequences of symbols that transmitter transmits and the symbols that receiver receives. This scheme achieves transmit and receive beamforming and transmitter and receiver must have full channel state information (CSI). The next step is to examine the performance of this method under channel estimation errors. The estimation of the channel is carried out with a maximum likelihood estimator from training sequences that were transmitted from the transmitter. After that, we examine the case in which the channel taps can be modeled by a multipath model. The parameters of a model of this kind can be computed from noise corrupted samples with sub-space methods. In this thesis we use the ESPRIT method for the estimation of these parameters. After the estimation of the model’s parameters we can use the model to predict future values of channel taps, decreasing with this way the number of the training symbols that are needed. Then, we will use this method in the system with the beamforming scheme and we will evaluate its performance. Finally, the complete infrastructure will be applied to a cooperative system and its performance will be tested for the two most popular cooperation protocols, the amplify and forward protocol and the decode and forward protocol.