Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, με βάση την ηλεκτρομαγνητική θεωρία,παρουσιάζεται μία μεθοδολογία για τη μοντελοποίηση πολύθυρων κεραιών κατά την κατάσταση εκπομπής και λήψης τους, δύο στοχαστικές μεθοδολογίες για την αξιολόγησή τους κατά τη λειτουργία τους σε συστήματα διαφορισμού λήψης και μία στοχαστική μεθοδολογία για την περίπτωση που αυτές λειτουργούν σε συστήματα πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων.Οι πολύθυρες κεραίες μοντελοποιούνται στις καταστάσεις εκπομπής και λήψης τους χρησιμοποιώντας είτε τον πίνακα διανυσμάτων ενεργών μηκών ή τον πίνακα αποτελεσματικών ενεργών μηκών. Ο πρώτος τρόπος είναι προσαρμοσμένος για ανάλυση με Ζ-παραμέτρους ενώ ο δεύτερος για ανάλυση με S-παραμέτρους.Η αξιολόγηση των πολύθυρων κεραιών κατα τη λειτουργία τους σε συστήματα διαφορισμού επιτυγχάνεται είτε με τη μέθοδο του πίνακα συνδιασποράς ή με μία υβριδική στοχαστική-ηλεκτρομαγνητική μεθοδολογία. Η πρώτη μεθοδολογία έχει χρησιμοποιηθεί αρκετά στη διεθνή βιβλιογραφία, ενώ η δεύτερη προτείνεται στην παρούσα διατριβή. Και οι δύο μέθοδοι λαμβάνουν υπόψη τους τόσο τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των κεραιών όσο και τις ιδιότητες του περιβάλλοντος διάδοσης.Η αξιολόγηση των πολύθυρων κεραιών κατα τη λειτουργία τους σε συστήματα πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μία γενική μεθοδολογία που βασίζεται σε βασικές αρχές ηλεκτρομαγνητισμού και κυκλωματικής ανάλυσης. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία είναι προσαρμοσμένη για ανάλυση με S- παραμέτρους αλλά μπορεί να επεκταθεί και για ανάλυση με Ζ-παραμέτρους. Παρουσιάζεται, επιπλέον, η εφαρμογή της μεθοδολογίας σε κεραίες οι οποίες έχουν κοινό κέντρο φάσης. / Ιn this thesis a method for modeling multi-port antenna structures at both their transmitting and receiving operational modes and methods for their performance evaluation when operating in diversity and MIMO systems is demonstrated under the perspective of electromagnetics combined with stochastic analysis. The method for modeling multi-port antenna structures at both their transmitting and receiving operational modes is achieved using either the effective length matrix or the realized effective length matrix. The former way is convenient for Z-parameter analysis while the latter for S-parameter analysis. Two stochastic methodologies for the performance evaluation of diversity systems are presented. The first one is based on the covariance matrix of the received signals and has been used by many researchers worldwide. The second one, which has been developed in this thesis, combines electromagnetic modeling of multi-port antennas’ the reception mode with a stochastic model. A stochastic methodology for the performance evaluation of MIMO systems is also presented. The methodology has been developed in this thesis in order to be used for Sparameter analysis. Moreover this methodology is applied to model multiport antenna systems with common phase center.

Τα συστήματα πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στο δέκτη (MIMO) αποτελούν βασικά μέτωπα ανάπτυξης των ασύρματων επικοινωνιών. Ωστόσο, η εφαρμογή της τεχνολογίας MIMO στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών αντιμετωπίζει το πρακτικό πρόβλημα της ενσωμάτωσης πολλαπλών κεραιών σε μικρά κινητά τερματικά. Με σκοπό την αντιμετώπιση του εμποδίου αυτού, δημιουργήθηκε ένα άλλο σημαντικό μέτωπο έρευνας, αυτό των συνεργατικών επικοινωνιών. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ασχοληθήκαμε με την ανάπτυξη και μελέτη αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος για τα δύο παραπάνω συστήματα. Σχετικά με τα συστήματα MIMO η πρωτοποριακή έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα Bell labs στα μέσα της δεκαετίας του ΄90, απέδειξε ότι η χρήση πολλαπλών κεραιών μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων βελτιώνοντας την αξιοπιστία της μετάδοσης. Προκειμένου να αξιοποιηθούν οι παραπάνω δυνατότητες απαιτείται η σχεδίαση σύνθετων δεκτών MIMO. Προς αυτήν την κατεύθυνση έχει στραφεί ένας μεγάλος αριθμός μεθόδων ισοστάθμισης του καναλιού και πιο συγκεκριμένα δεκτών ανατροφοδότησης αποφάσεων. Δεδομένου ότι σε ευρυζωνικά συστήματα επικοινωνιών το ασύρματο κανάλι είναι άγνωστο στο δέκτη και μεταβάλλεται χρονικά, στραφήκαμε προς τις προσαρμοστικές μεθόδους ισοστάθμισης. Στα πλαίσια της διαριβής αναζήτησαμε προσαρμοστικούς αλγόριθμους κατάλληλους για τη σχεδίαση προσαρμοστικών ισοσταθμιστών MIMO DFE με τα εξής χαρακτηριστικά: 1) να παρουσιάζουν απόδοση (ταχύτητα σύγκλισης) συγκρίσιμη με αυτή του RLS, 2) η υπολογιστική τους πολυπλοκότητα να είναι μικρότερη από αυτή του RLS και 3) να είναι αριθμητικά ευσταθείς. ΄Εχει αποδειχθεί ότι προσαρμοστικοί αλγόριθμοι που βασίζονται στη μέθοδο των συζυγών κλίσεων (conjugate gradient (CG)) πληρούν τις παραπάνω προϋποθέσεις. Αρχικά αναζητήσαμε τεχνικές που βασίζονται στη μέθοδο αυτή και χρησιμοποιούνται σε προβλήματα προσαρμοστικού φιλτραρίσματος και πιο ειδικά, στο πρόβλημα προσαρμοστικής ισοστάθμισης διαύλου στη περίπτωση SISO. Πιο συγκεκριμένα, υλοποιήσαμε έναν προσαρμοστικό αλγόριθμο στο πεδίο των συχνοτήτων που επεξεργάζεται τα δεδομένα κάθε φορά που λαμβάνεται ένα νέο εισερχόμενο πακέτο δεδομένων. Ο προτεινόμενος ισοσταθμιστής πετυχαίνει μια πολύ καλή απόδοση, ενώ οι υπολογιστικές του απαιτήσεις είναι πολύ χαμηλές. Στη συνέχεια αναπτύξαμε τρεις νέους αλγορίθμους προσαρμοστικής ισοστάθμισης συχνοτικά επιλεκτικών συστημάτων MIMO, που βασίζονται στη μέθοδο CG και στις προβολές Galerkin. Το πρόβλημα σχεδιασμού προσαρμοστικών MIMO DFE αντιμετωπίζεται ως ένα πρόβλημα επίλυσης γραμμικών εξισώσεων, με πολλαπλά δεξιά μέλη, που εξελίσσεται στο χρόνο. Επισημαίνουμε ότι τα σχήματα που προτείνουμε θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα γενικότερο πλαίσιο σχεδίασης προσαρμοστικών δεκτών για συχνοτικά επιλεκτικά συστήματα MIMO, με ιδιότητες σύγκλισης παρόμοιες με αυτές του RLS, έχοντας, ωστόσο, μικρότερες υπολογιστικές απαιτήσεις. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύξαμε τεχνικές εκτίμησης καναλιού για συνεργατικά δίκτυα με N αναμεταδότες που είτε ενισχύουν και αναμεταδίδουν ή αποκωδικοποιούν και αναμεταδίδουν το λαμβανόμενο σήμα. ΄Ολες οι τεχνικές εκτίμησης που προτείναμε υλοποιούνται εξ΄ ολοκλήρου στο πεδίο των συχνοτήτων. Αρχικά παρουσιάσαμε τεχνικές που βασίζονται στη μετάδοση πιλοτικών συμβόλων σε συγκεκριμένες συχνοτικές συνιστώσες. Στη συνέχεια αποδείξαμε ότι όλα τα κανάλια από την πηγή μέσω των αναμεταδοτών προς τον προορισμό μπορούν να εκτιμηθούν τυφλά εάν γνωρίζουμε τις φάσεις της απόκρισης συχνότητας του ασύρματου καναλιού μεταξύ πηγής και προορισμού.. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε ϑεωρητική ανάλυση της απόδοσης των προτεινόμενων σχημάτων η οποία επαληθεύτηκε μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστή. Τέλος, αξιολογήσαμε πειραματικά διάφορα πρωτόκολλα συνεργατικής επικοινωνίας (AF, DF, SF) και τεχνικές κατανεμημένης χωροχρονικής επεξεργασίας DSTC για συνεργατικά δίκτυα σε μια πλατφόρμα υλοποίησης πραγματικού χρόνου που χρησιμοποιεί επεξεργαστές ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. Διαπιστώσαμε ότι τα πειραματικά αποτελέσματα συμφωνούν πλήρως με τα θεωρητικά. / Systems employing multiple antennas at the transmitter and the receiver, known as MIMO (multiinput multioutput) systems, as well as space time coding techniques developed for such systems, are two of the main technologies employed for the evolution of wireless communications. However, the application of MIMO technology to mobile networks, often faces the practical implementation problem of having too many antennas on a small mobile terminal. In an attempt to overcome such a severe limitation, cooperative communication schemes have been proposed. This PhD dissertation, described our work on the design and analysis of signal processing algorithms for the two aforementioned systems, as is described in detail next. Concerning MIMO systems, the pioneering work performed at Bell Labs in the middle of the nineties, proved that the use of multiple antennas can lead to a significant increase in wireless systems capacity. To exploit this potential, sophisticated MIMO receivers should be designed. To this end, a large amount of channel equalizers and, more specifically, decision feedback equalizers has been proposed. Because these assumptions are difficult to meet in high rate single carrier systems, we have focused our attention on decision feedback equalizers. . Our main goal is to derive algorithms for updating the MIMO DFE filters with the following characteristics: 1) convergence properties similar to these of the RLS 2) more computationally efficient than RLS and 3) numerically stable. It is known that adaptive algorithms based on the CG (conjugate gradient) have the above characteristics We initially studied this method as an iterative method for solving linear equations and we pointed out the main differences with the steepest descent method, on which the LMS algorithm is based. An extended search of adaptive DFE algorithms, based on the CG method was carried out. More specifically, a new block adaptive CG algorithm was developed. In the resulting algorithm, one CG iteration per block update is executed. In order to reduce even more the complexity, the algorithm was implemented in the Frequency Domain. The proposed equalizer offers a good performance - complexity trade off. Three new adaptive equalization algorithms for wireless systems operating over frequency selective MIMO channels, based on the CG method and the Galerkin projection method, are proposed. The problem of MIMO decision feedback equalizer (DFE) design is formulated as a set of linear equations with multiple righthand sides (RHSs) evolving in time. These schemes provide a flexible framework in MIMO adaptive equalization design to implement schemes with convergence properties comparable to the RLS, but of lower computational cost. Furthermore, we worked on channel estimation for cooperative communication networks, where the nodes either simply amplify and forward the received signal, or they decode and transmit the signal (DF). We first propose efficient channel estimation techniques for relay networks with N relays. The new methods are implemented in the frequency domain (FD). Initially, training based techniques are presented, where the training pilots are multiplexed with the data in the frequency domain. It is then shown that all the channels in the network can be estimated blindly provided that we know the phases of the frequency response of the (Source → Destination) channel. Thus, by making use of a small number of pilots in only one link (the sourcetodestination link) we can estimate all the other channels (Source→Relay i→Destination) in the network. A theoretical performance study of the proposed algorithms is presented and closed form expressions for the mean squared channel estimation error are provided. The presented theoretical analysis is verified by extensive Monte Carlo simulations. The application of the derived schemes to the DF case, and the impact of erroneous detection to their performance are also studied. Finally, we investigated experimentally four cooperative relaying schemes: amplify and forward (AF), detect and forward (DF), cooperative maximum ratio combining (CMRC) and distributed spacetime coding (DSTC), and one novel selection relaying (SR) scheme on a realtime DSP based testbed. The experimental results are fairly close to the ones predicted by theory

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.

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.