Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των χαρακτηριστικών του ασύρματου καναλιού και πιο συγκεκριμένα κάποιων παραμέτρων του που παίζουν σημαντικό ρόλο στην καλύτερη κατανόηση του. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή σε έννοιες όπως η διάδοση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος και το ασύρματο κανάλι σε γενικευμένη μορφή. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται όλες οι παράμετροι που επιδρούν και επηρεάζουν τη διάδοση του κύματος καθώς και οι διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους το ηλεκτρομαγνητικό κύμα διαδίδεται στο χώρο. Το τρίτο κεφάλαιο διαπραγματεύεται την χρήση μοντέλων αλλά και την στατιστική περιγραφή του καναλιού λόγω του σύνθετου και πολύπλοκου χαρακτήρα της φύσης του καναλιού. Ακόμα εισάγεται η έννοια και η χρησιμότητα του συντελεστή Rice K. Στο τέταρτο κεφάλαιο έχουμε την παρουσίαση των μοντέλων που χρησιμοποιούνται στο ασύρματο κανάλι εσωτερικού χώρου για την τοπολογία του αεροδρομίου Αθηνών και την λήψη μετρήσεων σε αυτό ώστε να γίνει αξιολόγηση με βάση της μετρήσεις και να καταλήξουμε στο καταλληλότερο προς χρήση μοντέλο. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική προσέγγιση υπολογισμού του συντελεστή Κ, αλλά και ο υπολογισμός του με βάση μετρήσεις που πήραμε στο αεροδρόμιο και η εξαγωγή κάποιων συμπερασμάτων. / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την μοντελοποίηση και προσομοίωση της συμπεριφοράς ενσύρματων τηλεπικοινωνιακών καναλιών. Αρχικά, αναλύθηκε το θεωρητικό υπόβαθρο των ενσύρματων τηλεπικοινωνιακών καναλιών και αναπτύχθηκαν τα βασικά μοντέλα που υλοποιήθηκαν στην διπλωματική εργασία. Στην συνέχεια, περιγράφηκε η πλατφόρμα ανάπτυξης STM32-H107 όπου πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση του συστήματος και αναλύθηκαν τα βασικά περιφερειακά του επεξεργαστή που χρησιμοποιήθηκαν. Στις τελευταίες ενότητες, αναλύθηκαν το γραφικό περιβάλλον του χρήστη, το σύστημα που τρέχει στην πλατφόρμα και η επικοινωνία μεταξύ των δύο, ενώ μετρήθηκε η αξιοπιστία του συστήματος μέσα από μετρήσεις και σύγκριση των επιθυμητών τιμών SNR που εισήγαγε ο χρήστης με αυτές που επιτύγχανε το σύστημα. / This master thesis deals with the modeling and the simulation of wired telecommunication channels’ behavior. Firstly, the theoretical background of wired telecommunication channels was explained and their basic models were developed. Also, the development board STM32-H107, which was used for the simulation of the system, was described, and the basic processor’s peripherals were analyzed. In the final chapters, the graphical user interface and the application which run on the board, as well as their communication, were presented. System’s reliability was evaluated through comparing the real SNR with the desired SNR.

Οι τεχνικές ασύρματης μετάδοσης Ultra Wide Band (UWB) είναι γνωστές εδώ και αρκετές δεκαετίες. Το ϐασικό χαρακτηριστικό των συγκεκριμένων συστη- μάτων είναι η εκπομπή και λήψη σήματος που εκτείνεται σε πολύ μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται διαρκώς αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον γύρω από την περιοχή των τηλεπικοινωνιακών συ- στημάτων που χρησιμοποιούν UWB τεχνικές μετάδοσης, κυρίως λόγω της μεγάλης εφαρμοσιμότητάς της. Στις τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, η χρήση της τεχνικής UWB μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση των ταχυτήτων ασύρματης μετάδοσης, λόγω της δυνατότητας εκπομπής μεγάλου αριθμού παλμών σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Σε εφαρμογές εντοπισμού, το UWB μπορεί να ωθήσει προς την αύξηση της διακριτικής τους ικανότητας. Επίσης, κατάλ- ληλα UWB σήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν όπου υπάρχει ανάγκη για υψηλή διεισδυτικότητα μέσα από εμπόδια. Ο πιο απλός τρόπος μετάδοσης σήματος τέτοιου είδους είναι η εκπομ- πή εξαιρετικά σύντομων παλμών. Ο τρόπος με τον οποίο τα μεταδιδόμενα σύμβολα διαμορφώνουν αυτούς τους παλμούς ποικίλλει. Οι πρώτες UWB εφαρμογές χρησιμοποιούσαν σχεδόν αποκλειστικά την τεχνική Dιαμόρφωσης Θέσης Παλμού (Pulse Position Modulation PPM) γιατί η αντιστροφή πολύ σύντομων παλμών ήταν δύσκολο να υλοποιηθεί. Με αυτή την τεχνική, το κάθε μεταδιδόμενο σύμβολο καθορίζει τη ϑέση του παλμού στο πεδίο του χρόνου. Αργότερα, άρχισαν να χρησιμοποιούνται και τεχνικές Dιαμόρφωσης Πλάτους Παλμού (Pulse Amplitude Modulation PAM). Wστόσο, ένα μεγάλο πλεονέκτημα της μεθόδου PPM είναι οι μειωμένες απαιτήσεις της σε ισχύ, γιατί μεταδίδονται πολύ σύντομοι παλμοί ακολουθούμενοι από σχετικά με- γάλες περιόδους «σιωπής». Η ιδιότητα αυτή, καθιστά τη μέθοδο διαμόρφωσης PPM ιδιαίτερα ελκυστική σε εφαρμογές που απαιτούν χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Σε αυτή την εργασία μελετούμε τη δομή ενός συστήματος μετάδοσης δε- δομένων Ultra Wide Band το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο διαμόρφωσης PPM. Η συμπεριφορά ενός τέτοιου συστήματος κατά τη μετάδοση μέσα από διάφορα κανάλια παρουσία ϑορύβου εξετάζεται μέσω εξομοίωσης. Είναι γνω- στό ότι τα συστήματα αυτά πλήττονται τόσο από το ϑόρυβο που εισάγεται λό- γω της μετάδοσης, διασυμβολική παρεμβολή, αλλά και παρεμβολή ανάμεσα στους πολλαπλούς χρήστες. Επίσης, οι περιορισμοί που ορίστηκαν στις ΗΠΑ για την μεταδιδόμενη ισχύ ανά συχνότητα των εμπορικών UWB εφαρμογών, οι οποίοι αναμένεται να υιοθετηθούν και στον υπόλοιπο κόσμο, αποτελούν ένα επιπλέον ϑέμα που επηρεάζει την επίτευξη υψηλών ϱυθμών μετάδοσης δεδομένων. Μια λύση είναι η χρήση τεχνικών ισοστάθμισης ή, ισοδύναμα, μεθόδων εκτίμησης του καναλιού που λειτουργούν στο δέκτη. Αν και οι κλασικές τεχνικές ισοστάθμισης ή εκτίμησης καναλιού μπορούν να εφαρμο- στούν με μικρές τροποποιήσεις και σε UWB σήματα διαμορφωμένα με PPM, ένα ϐασικό εμπόδιο είναι τόσο το μεγάλο πλήθος παραμέτρων που πρέπει να εκτιμηθούν (ένα τυπικό κανάλι σε εσωτερικό χώρο μπορεί να έχει ακόμη και πάνω από 150 συντελεστές), όσο και ο πολύ μεγάλος ϱυθμός δειγματοληψίας που απαιτείται. Επίσης, ϕαίνεται ότι μπορούν να αξιοποιηθούν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που εμφανίζει η εφαρμογή της διαμόρφωσης PPM σε UWB συστήματα, όπως είναι το ϕαινόμενο πολλαπλών μονοπατιών (multipath) σε συνδυασμό με την υψηλή διακριτικότητα (resolution) του σήματος UWB, ή ακόμη και η δυνατότητα μετάδοσης του ίδιου συμβόλου περισσότερες από μί- α ϕορές. Στα πλαίσια της εργασίας ϑα μελετηθούν και ϑα ενσωματωθούν στο σύστημα υπάρχουσες μέθοδοι εκτίμησης ή ισοστάθμισης καναλιού, οι οποί- ες αποτελούν προϊόν πρόσφατων προσπαθειών προς αυτή την κατεύθυνση. Θα μελετηθεί ο τρόπος με τον οποίο επιδρούν στην απόδοση του συστήμα- τος. Τέλος, ϑα εξεταστεί η δυνατότητα επέκτασης των μεθόδων εκτίμησης καναλιού με σκοπό τη ϐελτίωση της υπολογιστικής τους πολυπλοκότητας, μετατρέποντάς τους σε επαναληπτικούς/προσαρμοστικούς αλγορίθμους. / -

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 εργασία αυτή ασχολείται με το πρόβλημα της εκτίμησης καναλιού σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Το πρόβλημα αυτό συγκεντρώνει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, καθώς συναντάται σε ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών. Η άγνωστη συνάρτηση μεταφοράς του καναλιού στα ασύρματα συστήματα μετάδοσης, καθιστά απαραίτητη την εκτίμησή του πριν από οποιαδήποτε διαδικασία μετάδοσης. Στη συγκεκριμένη μεταπτυχιακή εργασία, αντικείμενο εξέτασης αποτελεί η επίδραση καναλιού με μη γραμμικά χαρακτηριστικά σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Αρχικά, παρουσιάζεται ένας βελτιωμένος αλγόριθμος εκτίμησης καναλιού, ο οποίος βασίζεται σε ένα παραμετρικό μοντέλο. Η απόκριση συχνότητας του καναλιού εκτιμάται χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο με L μονοπάτια. Γίνεται χρήση της μεθόδου ESPRIT για την αρχική εκτίμηση των πολυδρομικών καθυστερήσεων, ενώ η διαδικασία παρακολούθησης γίνεται με την τεχνική IPIC DLL. Με γνωστή την πληροφορία για τις πολυδρομικές καθυστερήσεις, εκτιμάται η απόκριση του καναλιού στο πεδίο της συχνότητας με τη μέθοδο του ελαχίστου μέσου τετραγωνικού σφάλματος. Ιδιαίτερης μνείας χρήζει το κριτήριο MDL (Minimum Description Length) που χρησιμοποιείται για την εύρεση των ενεργών μονοπατιών του καναλιού. Σύμφωνα με το κριτήριο, υπολογίζεται ο ιδιοχώρος, δηλαδή οι ιδιοτιμές και τα ιδιοδιανύσματα, του πίνακα αυτοσυσχέτισης του καναλιού. Ο ιδιοχώρος αυτός εμφανίζει ιδιαίτερη δομή και μπορεί να αναλυθεί σε κάθετους μεταξύ τους υποχώρους: τον υποχώρο του σήματος (signal subspace) και αυτόν του θορύβου (noise subspace). Έχει αποδειχθεί ότι η χρήση παραμετρικού μοντέλου καναλιού μπορεί να μειώσει δραστικά τις διαστάσεις του υποχώρου του σήματος και κατά συνέπεια να βελτιώσει την απόδοση της εκτίμησης του καναλιού. Στη συνέχεια εξετάζεται η δυνατότητα εφαρμογής του αλγόριθμου PAST κατά τη διαδικασία παρακολούθησης των πολυδρομικών καθυστερήσεων και η σύγκρισή του με την απόδοση του IPIC DLL. Ο αλγόριθμος PAST έχει χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα καθώς στηρίζεται σε αναδρομικές τεχνικές παρακολούθησης του ιδιοχώρου. Στα πλαίσια της μεταπτυχιακής εργασίας έγινε συγκριτική μελέτη των τεχνικών εκτίμησης καναλιού σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά των κυριότερων αλγορίθμων της βιβλιογραφίας και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων σε περιβάλλον MATLAB. Με βάση τη θεωρητική μελέτη των μεθόδων εκτίμησης και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, εξάγονται συμπεράσματα για τη βελτίωση της απόδοσης που παρουσιάζουν σε σχέση με τις μη παραμετρικές τεχνικές. Τέλος, υλοποιήθηκε ένας νέος αλγόριθμος για την εύρεση του υποχώρου του σήματος, ο οποίος βελτιώνει σημαντικά την απόδοση του κριτηρίου MDL. / The basic concept in this thesis is the problem of Channel Estimation in multipath fading chanels. The method we use is based on parametric channel modeling. Firstly, we use the MDL (Minimum Descreption Length) criterium in order to estimate the number of paths in the channel. Next the ESPRIT method calculates the Time Delays for every estimated path. The second part of the algorithm is used for tracking of time delays. We firstly use an IPIC DLL (InterPath Interference Cancellation Delay Locked Loop) technique and then the path gains are calculated via a MMSE estimator. There is also a study in Subspace Tracking problem. We use the PAST and PASTd algorithms to calculate the signal subspace for every OFDM symbol transmited. The two techniques we described increase the SER performance of the non parametric channel estimator by 2dB and the MSE performance by 5dB. We also describe a new algorithm which has better performance than the MDL criterium.

Τα τελευταία χρόνια και κυρίως μετά το 1996 έχει παρουσιαστεί ένα έντονο ενδιαφέρον γύρω από τα ασύρματα συστήματα MIMO (Συστήματα Πολλών Εισόδων και Πολλών Εξόδων). Η βασική αιτία που δημιούργησε αυτό το ενδιαφέρον ήταν η θεωρητική ανάλυση της χωρητικότητας που επιτυγχάνεται με τη χρήση πολλαπλών κεραιών τόσο στο δέκτη όσο και στον πομπό. Ωστόσο πέρα από την αύξηση της χωρητικότητας τα συστήματα MIMΟ έχουν μια σειρά από επιπλέον πλεονεκτήματα, επιτυγχάνουν ανεκτικότητα στην εξασθένιση, αυξάνουν την φασματική αποδοτικότητα, μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας καθώς και το κόστος χρήσης και κατασκευής ασύρματων δικτύων. Έχοντας λάβει υπ’ όψιν τα παραπάνω και έχοντας κάνει ήδη μια αρχική έρευνα στο τι υπάρχει στην επιστημονική βιβλιογραφία γύρω από τα συστήματα MIMO, επιλέξαμε να ασχοληθούμε με την συγκεκριμένη τεχνολογία και πιο συγκεκριμένα με την προ-κωδικοποίηση πομπού, όταν τα κανάλια που διαθέτουμε είναι συχνοτικά επιλεκτικά (frequency selective). Το πρόβλημα που μας απασχόλησε είναι η διερεύνηση τεχνικών κωδικοποίησης των δεδομένων του πομπού, πριν αυτά μεταδοθούν, ούτως ώστε να μπορέσει να απλοποιηθεί η σχεδίαση του δέκτη. Στην περίπτωση των συχνοτικά επιλεκτικών καναλιών πέρα από τον πανταχού παρόντα Γκαουσιανό θόρυβο έχουμε να αντιμετωπίσουμε και τη διασυμβολική παρεμβολή (Intersymbol Interference - ISI) . Στόχος μας είναι να μπορέσουμε να μετατοπίσουμε τη διαδικασία της ισοστάθμισης από το δέκτη στον πομπό, όπου, στην περίπτωση που ο πομπός είναι ένας σταθμός βάσης, η δυνατότητα υλοποίησης πολύπλοκων διεργασιών είναι μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερης ανοχής στην κατανάλωση ενέργειας όσο κυρίως, και στη δυνατότητα χρήσης πολύπλοκου υλικού. Το πρόβλημα που τίθεται στην περίπτωση που η ισοστάθμιση γίνει στην μεριά του πομπού είναι η ποιότητα και η ποσότητα της γνώσης του πραγματικού καναλιού. Είναι σχεδόν αδύνατο ο πομπός να έχει πλήρη γνώση του πραγματικού καναλιού, με αποτέλεσμα να πρέπει να αρκεστεί σε γνώση, που στην καλύτερη περίπτωση προσεγγίζει αυτή του πραγματικού καναλιού. Επίσης, πολλές φορές, η ποσότητα της γνώσης που μπορεί να αποσταλεί από το δέκτη – όταν δεν ισχύει η αρχή της αμοιβαιότητας (reciprocity) – είναι περιορισμένη. Από τα παραπάνω καταλαβαίνουμε ότι θα είχε ενδιαφέρον η μελέτη τεχνικών που παρουσιάζουν ανοχή στην ποιότητα της γνώσης του καναλιού καθώς και η συμπεριφορά τους όταν αυτές διαθέτουν μερική ή και περιορισμένη γνώση του πραγματικού καναλιού. Ένας από τους τρόπου αντιμετώπισης όταν συναντούνται συχνοτικά επιλεκτικά κανάλια είναι η χρήση του OFDM με όσα αρνητικά αυτό συνεπάγεται (π.χ. η δυσκολία συγχρονισμού πομπού και δέκτη). Ένας άλλος τρόπος αντιμετώπισης, στην περίπτωση μονής φέρουσας (single carrier), είναι η χρήση προκωδικοποιητων Bezout. Επιλέξαμε να ασχοληθούμε με αυτόν τον τύπου προκωδικοποίητων. Πιο συγκεκριμένα, όταν ο αριθμός των κεραιών του πομπού είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των κεραιών του δέκτη, είναι δυνατόν να εφαρμόσουμε την ταυτότητα Bezout (Bezout Identity) στην μεριά του δέκτη. Με απλά λόγια θα εφαρμόσουμε ένα προ-ισοσταθμιστή επιβολής μηδενικών (zero forcing). Όπως είναι αναμενόμενο, μιας και ο προκωδικοποιητής εφαρμόζεται στην μεριά του πομπού, πριν εμφανιστεί ο Γκαουσιανός θόρυβος, δεν έχουμε ενίσχυση αυτού του θορύβου, ωστόσο είναι δυνατόν να έχουμε σημαντική αύξηση της μεταδιδόμενης ισχύος. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα έχει προταθεί στη βιβλιογραφία η σχεδίαση προκωδικοποιητών Bezout με την χρήση περιορισμών ισχύος. Αυτό που εμείς μελετήσαμε στην περίπτωση των προκωδικοποιητών Bezout (ή FIR προκωδικοποιητών), είναι η συμπεριφορά τους στην περίπτωση που ο πομπός διαθέτει πλήρη ή μερική γνώση του καναλιού. Είδαμε την περίπτωση του σχεδιασμού ενός FIR προκωδικοποιητή κάτω από τον περιορισμό ισχύος μετάδοσης μέσω της μεθόδου Tikhonov Regularization, ενός σημαντικού εργαλείου επίλυσης του προβλήματος των ελαχίστων τετραγώνων κάτω από τη δι-κριτήριο διατύπωση. Τέλος, προτείναμε δύο FIR σχεδιασμούς προκωδικοποιητών για την περίπτωση που ο πομπός διαθέτει παραμετρική (στατιστική) περιγραφή του καναλιού. / The last years, but mainly after 1996 there is an intensive interest in MIMO systems. The reason that created this interest was the capacity that can be achieved by the use of multiple antennas to the transmitter and to receiver. Furthermore, the use of multiple antennas has a number of advantages except from the capacity increase; MIMO can achieve tolerance to fading, spectral efficiency, increased coverage etc. By having considered the above information we decided to work with MIMO systems and especially with precoding techniques for frequency selective channels. In the case of frequency selective channels except from the Gaussian noise we have to treat and with intersymbol interference (ISI) which is an important degradation factor. A very serious reason to handle intersymbol interference at the transmitter side - especially when transmitter is a base station - is to simplify receiver's design. When transmitter is a base station there is a tolerance in power consuming and in the implementation of more complicated hardware. After an extensive bibliographical we concluded to use the theory of Bezout Identity. In the case where the number of antennas at the transmitter is greater than the number of antennas at the receiver it is formed a left-coprime FIR channel. By using the Bezout identity matrix, it is possible to be designed a FIR MIMO precoder that reduce intersymbol interference. Bezout precoder (pre-equalizer) is a zero-forcing (ZF) equalizer. As it is known from bibliography ZF equalizer has the disadvantage that amplifies noise power in deep fades. For the case of Bezout precoder it is not true since there is no noise - noise will appear at the receiver. But there is another disadvantage, Bezout precoder may increase transmit power significantly to overcome deep fades in the singular values of the channel matrix. The solution to the previous phenomenon can be taken by designing ZF precoders under power constraints. The main problem in the case of transmit precoding is the channel knowledge - when reciprocity principle is not valid. In most cases it is not possible to have perfect channel knowledge or even the knowledge that we have may be of bad quality. Another drawback that appears in the case of frequency selective channels is the amounts of information (number of bits) that can be send back to the transmitter - limited feedback. Many works assumed a quasi-static channel - channel doesn't changes for a number of symbols - and perfect channel knowledge. In real world this may not be true. In this master thesis we investigated three things. Firstly, the behavior of Bezout precoders under channel mismatch at the side of transmitter. Secondly, ways that will allows us to decrease channel feedback. And thirdly, which was the most interesting, we proposed two FIR designs that uses statistical channel knowledge.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των μεθόδων βελτιστοποίησης της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών των δικτύων κυτταρικής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς σε διαλειπτικό περιβάλλον. Αρχικά γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη των συστημάτων κινητών επικοινωνιών και παρουσιάζεται το σημαντικότερο πρότυπο τρίτης γενιάς, το UMTS και τα ιδιαίτερα τεχνικά χαρακτηριστικά του. Στην συνέχεια αναλύεται το LTE το οποίο αποτελεί την τελευταία εξέλιξη των δικτύων τρίτης γενιάς και αναμένεται να αντικαταστήσει το UMTS στο άμεσο μέλλον αποτελώντας στην πραγματικότητα τον πρόδρομο των συστημάτων τέταρτης γενιάς. Στην συνέχεια εστιάζουμε στα διαλειπτικά κανάλια αναλύοντας τα φαινόμενα που παρατηρούνται σε αυτά και τα στατιστικά μοντέλα μέσα από τα οποία περιγράφονται. Παράλληλα διερευνάται η επίδραση των φαινομένων αυτών (θετική ή αρνητική) στο QoS των δικτύων τρίτης γενιάς βάσει των χαρακτηριστικών τους (όπως παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 1) και οι δυνατότητες για περαιτέρω βελτιστοποίηση κατα τον σχεδιασμό των δικτύων και την σωστή εκμετάλλευση των χαρακτηριστικών του περιβάλλοντος όδευσης. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στα μοντέλα εσωτερικού χώρου λόγω του μεγάλου φορτίου κίνησης που καλούνται να εξυπηρετήσουν. Στο τελευταίο μέρος παρουσιάζεται η διαδικασία παραμετροποίησης κάποιων σημαντικών μοντέλων και τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων που έγιναν στον χώρο του κτηρίου των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών. / The subject of this diploma thesis is the study of the optimization techniques of the quality of service for third generation cellular telephony networks in fading enviroment. After a short presentation of the evolution of the systems of wireless telecommunications, it is discussed UMTS the most important third generation system which dominated the european market and its technical features. LTE is also introduced, the system which is expected to replace UMTS in the near future while being the predecessor of the fourth generation systems. Then we focus on the fading channels analysing the phenomena wich are related to them and analysing the statistical models that describe them. It is also studied the effect (positive or negative) of these phenomena on the QoS of the third generation networks and the optimization methods which can be applied during the network designing process with special reference to the indoor propagation models because of the big amount of traffic load that they are asked to serve. At the last chapter of the thesis there is a presentation of the parameter setting procedure for some important models and the outcomes of the simulation that took place in the building of Electronic Engineering.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η εκμετάλλευση της διαφορετικότητας πολλών χρηστών και της προσαρμοστικής διαμόρφωσης στα OFDMA συστήματα. Οι αλγόριθμοι που εκμεταλλεύονται αυτά τα κέρδη δεν προσδιορίζονται από το πρότυπο WiMAX, και έτσι όλοι οι κατασκευαστές WiMAX να είναι ελεύθεροι να αναπτύξουν τις δικές τους καινοτόμες διαδικασίες. Η ιδέα είναι η ανάπτυξη αλγορίθμων για την κατανομή των υποφορέων στους χρήστες, για τον προσδιορισμό των ποσοτήτων ισχύος σε αυτούς. Η μελέτη εστιάζεται στην κάτω ζεύξη (downlink) του συστήματος OFDMA, δηλαδή στη μετάδοση δεδομένων από το σταθμό βάσης της κυψέλης στους χρήστες – δέκτες. Οι διαθέσιμοι πόροι του συστήματος είναι οι ορθογώνιοι υποφορείς και η συνολική διαθέσιμη ισχύς στο σταθμό βάσης. Οι χρήστες κάνουν εκτίμηση και ανατροφοδότηση της πληροφορίας κατάστασης του καναλιού (CSI-channel state information) σε έναν κεντρικό σταθμό βάσης, όπου υποφορείς και κατανομή ισχύος προσδιορίζονται σύμφωνα με CSI των χρηστών και τη διαδικασία κατανομής των διαθέσιμων πόρων. Μόλις οι υποφορείς για κάθε χρήστη καθοριστούν, ο σταθμός βάσης πρέπει να ενημερώνει τον κάθε χρήστη για το ποιοι υποφορείς έχουν ανατεθεί στον καθένα. Συνήθως, η κατανομή των πόρων πρέπει να γίνεται σε χρονικά διαστήματα της τάξης του χρόνου συνοχής, αν και μπορεί να γίνει πιο συχνά, αν υπάρχουν πολλοί χρήστες που ανταγωνίζονται για τους πόρους που είναι διαθέσιμοι. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται διαφορετικά σενάρια κατανομής των πόρων που περιλαμβάνουν αλγορίθμους για την ανάθεση των υποφορέων και το διαμοιρασμό των κατάλληλων ποσοτήτων ισχύος στους υποφορείς. Ανάλογα με το στόχο και τις ανάγκες των χρηστών του συστήματος, καθώς και με το ποσό της διαθέσιμης πληροφορίας καναλιού στο σταθμό βάσης, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί αλγόριθμοι. Η κατανομή των διαθέσιμων πόρων συνήθως διατυπώνεται ως πρόβλημα βελτιστοποίησης με περιορισμούς, είτε (1) ελαχιστοποίηση της συνολικής εκπεμπόμενης ισχύoς με περιορισμό στο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στο χρήστη είτε (2) μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων με περιορισμό στην συνολική εκπεμπόμενη ισχύ. Ο αλγόριθμος με περιορισμό αναλογίας των ρυθμών μετάδοσης (Proportional Rate Constraints algorithm - PRC) έχει ως στόχο τη μεγιστοποίηση της συνολικής διεκπεραίωσης με τον περιορισμό ότι ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων σε κάθε χρήστη είναι ανάλογος με ένα σύνολο από προκαθορισμένες παραμέτρους του συστήματος. Ενώ ο στόχος του αλγόριθμου μέγιστου ολικού ρυθμού μετάδοσης (MSR- maximum sum rate algorithm), είναι η μεγιστοποίηση του συνόλου των ρυθμών μετάδοσης όλων των χρηστών, λαμβάνοντας υπόψη έναν περιορισμό της συνολικής εκπεμπόμενης ισχύoς. / In this diploma thesis, multiuser diversity and adaptive modulation in OFDMA systems is considered. Algorithms that take advantage of these gains are not specified by the WiMAX standard, and all WiMAX developer are free to develop their own innovative procedures. The idea is to develop algorithms for determining which users to schedule, how to allocate subcarriers to them, and how to determine the appropriate power levels for each user on each subcarrier. The downlink of a single-cell system is considered in the downlink transmission. The available resources to be distributed among the users of the OFDMA system comprise the subcarriers over which the signals of the users are transmitted and the available power that is allocated among subcarriers. Users estimate and feedback the channel state information (CSI) to a centralized base station, where subcarrier and power allocation are determined according to users’ CSI and the resource-allocation procedure. Once the subcarriers for each user have been determined, the base station must inform each user which subcarriers have been allocated to it. Typically, the resource allocation must be performed on the order of the channel coherence time, although it may be performed more frequently if a lot of users are competing for resources. In this diploma thesis, different resource allocation strategies for the downlink of an OFDMA system are compared. Each algorithm has a different objective. The resource allocation is usually formulated as a constrained optimization problem, to either (1) minimize the total transmit power with a constraint on the user data rate or (2) maximize the total data rate with a constraint on total transmit power. The proportional rate constraints (PRC) algorithm is to maximize the sum throughput, with the additional constraint that each user’s data rate is proportional to a set of predetermined system parameters. While the objective of the maximum sum rate (MSR) algorithm, is to maximize the sum rate of all users, given a total transmit power constraint.

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μελέτη τεχνικών κατανεμημένου προσανατολισμού σε πραγματικές συνθήκες. Πιο συγκεκριμένα σε αυτά στα συστήματα θεωρείται ότι ο κόμβος-πομπός δεν έχει καλή σύνδεση με το δέκτη και κατά συνέπεια δεν μπορεί να επικοινωνήσει απευθείας με τον κόμβο-δέκτη χωρίς δραματική αύξηση της ενέργειας μετάδοσης. Παρόλα αυτά η χρήση κατανεμημένου προσανατολισμού δίνει τη δυνατότητα να βελτιωθεί σημαντικά η κατανάλωση ενέργειας. Το σχήμα που θα χρησιμοποιηθεί είναι ενίσχυση και προώθηση (AF) 2 βημάτων, με το οποίο οι συνεργατικοί κόμβοι απλώς ενισχύουν και στην συνέχεια επαναμεταδίδουν το μήνυμα. Συνεπώς, ζητούμενο είναι η εύρεση των μιγαδικών βαρών με τα οποία πρέπει ο κάθε συνεργαζόμενος κόμβος χωριστά να ενισχύσει το σήμα. Οι τεχνικές που θα χρησιμοποιηθούν έχουν ως κριτήρια την ελαχιστοποίηση της ενέργειας μετάδοσης με ταυτόχρονη ικανοποίηση του SNR, μεγιστοποίηση του SNR με περιορισμένη ολική ενέργεια μετάδοσης και μεγιστοποίηση του SNR με περιορισμένη ενέργεια μετάδοσης ανά συνεργαζόμενο κόμβο. Το πρώτο κριτήριο θα εξεταστεί, επίσης, και σε συστήματα με πολλαπλούς πομπούς και δέκτες. Λόγω της φύσης του προβλήματος, ο κατανεμημένος προσανατολισμός αναμένεται να έχει μεγάλη απήχηση σε συστήματα με πολλούς διασκορπιστές και εμπόδια, όπως σε ένα αστικό περιβάλλον, και, επομένως, είναι λογικό να θεωρηθεί ότι τα κανάλια του συστήματος είναι Rayleigh, δηλαδή ασυσχέτιστα χωρίς οπτική επαφή (LOS). Για να προσομοιωθεί το σύστημα σε πραγματικές συνθήκες οι μέθοδοι που θα υλοποιήσουμε στην εργασία χρησιμοποιούν τα στατιστικά του καναλιού. Επιπλέον, η εκτίμηση καναλιού εφόσον θεωρούμε ότι έχουμε Gaussian λευκό θόρυβο θα γίνει με την χρήση του βέλτιστου γραμμικού εκτιμητή (BLUE). Η επίδραση της εκτίμησης του καναλιού θα μελετηθεί για δύο περιπτώσεις: με αμοιβαία και χωρίς αμοιβαία κανάλια. / The purpose of this thesis is the study of methods of distributed beamforming under real circumstances. More specifically, these systems are considered that the transmitter must increase tremendously the required transmit energy to communicate with the receiver. However the use of the distributed beamforming allows the system to improve the energy consumption. The scheme that is used from relays is amplify and forward of two steps, where the relays only amplify and then forward the message to the destination. That is, the purpose is to find the complex weights to be used by the corresponding relay so as to amplify the message of the transmitter. The methods that are implemented have as criterions the minimization of transmit energy while satisfying the SNR, maximization of SNR while limiting the system's transmit energy and maximization of SNR while limiting transmit energy of each relay individually. The first criterion is also studied at systems with more than one pair transmitter-receiver. Due to the nature of the problem, distributed beamforming is expected to be used at environments with many obstacles and scatterers, like urban environment, and so it is rationale to suppose that the channels should be Rayleigh, meaning uncorrelated without line of sight. To simulate the system under real circumstances the methods that we will implement shall use the second order statistics of the channels. Moreover, due to Gaussian white noise, channels are estimated using the Best Linear Unbiased Estimator. The impact of channel estimation is studied in two cases: "reciprocal" and "not reciprocal".

Η υλοποίηση αποδοτικών αριθμητικών κυκλωμάτων αποτελεί ένα ανοικτό πεδίο έρευνας καθώς η συνεχής εξέλιξη της τεχνολογίας απαιτεί την επανεκτίμηση των μεθόδων σχεδίασής τους, ενώ παράλληλα δημιουργεί νέους τομείς εφαρμογής τους. Ο τεράστιος όγκος πληροφορίας και η ανάγκη γρήγορης επεξεργασίας της έχει οδηγήσει στην ανάγκη αύξησης της συχνότητας λειτουργίας των αντίστοιχων κυκλωμάτων. Μεγάλης σημασίας παραμένει επίσης η ανάγκη για τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος των συστημάτων αυτών, αλλά και του κόστους τους, που συνδέονται άμεσα με την επιφάνεια ολοκλήρωσής τους. Η ικανοποίηση των παραμέτρων αυτών επιτάσσει σε διάφορες περιπτώσεις την υιοθέτηση αριθμητικών συστημάτων, πέραν του συμβατικού δυαδικού συστήματος. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων (Residue Number System – RNS) όπως επίσης και τα αριθμητικά συστήματα πλεοναζουσών αναπαραστάσεων (redundant number systems). Η διδακτορική αυτή διατριβή ασχολείται με την υλοποίηση αποδοτικών κυκλωμάτων για το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων, με την έρευνα να επικεντρώνεται στην υιοθέτηση τόσο πλεοναζουσών όσο και μη-πλεοναζουσών αναπαραστάσεων στα διάφορα κανάλια επεξεργασίας του. Το πρώτο μέρος της διατριβής έχει ως στόχο τη σχεδίαση αποδοτικών κυκλωμάτων υπολοίπων με χρήση μη-πλεοναζουσών αναπαραστάσεων τόσο για τις κύριες-βασικές αριθμητικές πράξεις (πρόσθεση, πολλαπλασιασμός) όσο και για τις δευτερεύουσες-βοηθητικές (αφαίρεση, ύψωση σε δύναμη) πράξεις. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται κυκλώματα αφαίρεσης και πρόσθεσης/αφαίρεσης για κανάλια υπολοίπου της μορφής 2^n+-1, κυκλώματα πολλαπλασιασμού με σταθερά για το σύνολο διαιρετών {2^n-1, 2^n, 2^n+1} καθώς και κυκλώματα Booth πολλαπλασιασμού προγραμματιζόμενης λογικής για τα κανάλια υπολοίπου 2^n+-1. Επιπλέον, παρουσιάζονται κυκλώματα ύψωσης στον κύβο για το κανάλι υπολοίπου 2^n-1. Προτείνεται επίσης μια οικογένεια αριθμητικών κυκλωμάτων (αθροιστές, αφαιρέτες, πολλαπλασιαστές, κυκλώματα ύψωσης στο τετράγωνο) υπολοίπου 2^n+1 για την αναπαράσταση ελάττωσης κατά 1, που ενσωματώνουν τη μετατροπή του αποτελέσματος στην κανονική αναπαράσταση μέσα στην αρχιτεκτονική τους, ενώ παρουσιάζεται και μία ενιαία μεθοδολογία σχεδίασης κυκλωμάτων ανάστροφης μετατροπής για σύνολα διαιρετών με κανάλια της μορφής 2^n+1 που υιοθετούν την αναπαράσταση ελάττωσης κατά 1. Τέλος, διερευνούνται και οι διαιρέτες της μορφής 2^n-2 και προτείνονται για αυτούς αποδοτικές αρχιτεκτονικές κυκλωμάτων πρόσθεσης, πολλαπλασιασμού, ύψωσης στο τετράγωνο και ευθείας μετατροπής. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής το ενδιαφέρον εστιάζεται σε μία διαφορετική κατηγορία αναπαραστάσεων, οι οποίες παρέχουν περισσότερους από ένα δυνατούς τρόπους κωδικοποίησης των εντέλων τους. Οι πλεονάζουσες αυτές αναπαραστάσεις παρουσιάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως η δυνατότητα εξισορρόπησης ταχύτητας και επιφάνειας υλοποίησης. Στη διατριβή εξετάζονται τρεις πλεονάζουσες αναπαραστάσεις για το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων με κανάλια διαιρετών της μορφής 2^n+-1 και παρουσιάζεται μία γενικευμένη μεθοδολογία διαχείρισης των ψηφίων τους, η οποία εφαρμόζεται στη σχεδίαση κυκλωμάτων μετατροπής. Στο τελευταίο μέρος περιγράφονται δύο εφαρμογές συστημάτων που βασίζονται στο Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων. Αναλυτικότερα, σχεδιάζεται και υλοποιείται ένα σύστημα ανίχνευσης ακμών σε εικόνα με ένα στάδιο προ-επεξεργασίας για μείωση του θορύβου καθώς και τρία φίλτρα πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης. / The implementation of efficient arithmetic circuits has always been an open field for research, since the technology evolves rapidly, demanding the reevaluation of their design methods. At the same time this continuous evolution opens new research areas for these circuits. The need for fast processing of a vast amount of information demands an increase of the operational frequency of the corresponding circuits, while at the same time low power consumption, low cost and therefore low area remain of crucial importance. Meeting these needs in arithmetic circuits usually implies the employment of alternative, non-binary number systems. Such examples are the Residue Number System (RNS) and number systems with redundant representations. The subject of this PhD dissertation is the implementation of efficient arithmetic circuits for the RNS emphasizing both in redundant and not redundant representations. The first part of the dissertation deals with the design of efficient non-redundant arithmetic circuits for main arithmetic operations such as addition and multiplication that are met in every processing system, as well as for auxiliary operations like subtraction, squaring and cubing. Specifically, the circuits presented include subtractors and adders/subtractors for the moduli channels of the 2^n+-1 form, single-constant multipliers for the {2^n-1, 2^n, 2^n+1} moduli set, configurable modulo 2^n +-1 Booth-encoded multipliers as well as modulo 2^n-1 cubing units. Furthermore, a family of diminished-1 modulo 2^n+1 arithmetic circuits (adders, subtractors, multipliers and squarers) is also presented, that produces the respective result directly to weighted (normal) representation, embedding that way the conversion process between these two representations. The design of efficient Residue-to-Binary converters is also considered and a novel generic methodology is proposed for the systematic design of those circuits. The modulo 2^n-2 channel is also investigated and an arithmetic processing framework is proposed including adders, multipliers, squarers and Binary-to-Residue converters. In the second part, we focus on a different category of representations, where operands can be encoded in more than one ways. Such representations offer certain characteristics such as a tradeoff between area and speed. In particular, we consider three redundant representations for the RNS processing channels of the 2^n+-1 form, which are the most common choice. A generic methodology is presented for treating their digits in order to design efficient converters for them. The last part of the dissertation presents two applications that are implemented entirely in the RNS domain. Their architectures rely on the proposed arithmetic circuits. The first application is an image edge detector with a pre-processing noise filtering stage. The second application involves the design of three Finite Impulse Response (FIR) filters.