Tα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά συστήματα έχουν υιοθετήσει κώδικες διόρθωσης λαθών με στόχο να αυξήσουν της αξιοπιστία των συστημάτων κατά τη μετάδοση πληροφορίας. Οι LDPC (Low-Density-Parity-Check codes) κώδικες είναι μία κατηγορία κωδίκων που πρόσφατα άρχισαν να απασχολούν την επιστημονική κοινότητα κι αυτό γιατί διαθέτουν εξαιρετικές επιδόσεις. Οι κώδικες αυτοί είναι γραμμικοί block κώδικες με απόδοση πολύ κοντά στο όριο του Shannon. Επιπλέον, ο εύκολος παραλληλισμός της διαδικασίας αποκωδικοποίησής τους, τους καθιστά κατάλληλους για υλοποίηση σε υλικό. Στην παρούσα διπλωματική μελετήθηκαν αρχικά τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και οι παράμετροι των κωδίκων αυτών. Ο στόχος ήταν να σχεδιαστεί ένας αποκωδικοποιητής που να υποστηρίζει τα χαρακτηριστικά των LDPC κωδίκων που έχουν υιοθετηθεί από το DVB-S2. Με αυτό το στόχο υλοποιήθηκε στο System Generator(εργαλείο του Xilinx) ένας ημιπαράλληλος αποκωδικοποιητής. Η ημιπαράλληλη αρχιτεκτονική επιτρέπει καταλαμβάνοντας μικρή περιοχή του υλικού να δημιουργηθεί ένας αποκωδικοποιητής που να είναι εφικτό να χρησιμοποιείται από οποιοδήποτε κώδικα με χρήση των ίδιων λειτουργικών μονάδων και διαφορετικών μονάδων ελέγχου. Στην αποκωδικοποίηση χρησιμοποιήθηκε ο Min-Sum αλγόριθμος καθώς αυτός προσφέρει χαμηλή πολυπλοκότητα χωρίς να θυσιάζει αρκετά σε επίπεδο απόδοσης. Η σωστή λειτουργία ολόκληρου του σχεδιασμού επιβεβαιώθηκε με εξομοιώσεις στη Matlab. / Modern telecommunication systems have adopted error correction codes in order tor improve the reliability during information transmission. LDPC (Low-Density-Parity-Check codes) are a special group of codes with extremely good performance. These codes are linear block codes with performance near to the theoretical Shannon limit. Furthermore, the fact that the procedure of the decoding is easily parallelism makes them suitable for implementation on hardware. At the beginning of this thesis, the special characteristics and the parameters of these codes were stated. The main aim was to design a decoder that can be used for the DVB-S2 system. So, it was designed at System Generator a semi parallel decoder. The implementation of this architecture allows every code (block size, code rate) to be decoded, using the same functional units and different control units. Moreover this implementation requires small area but it is not possible to succeed high throughput. For the decoding process, Min-Sum Algorithm has been used, as it is the less complex algorithm for hardware implementations.The design has been successfully verified with simulations using Matlab.

Ένα από τα βασικά μειονεκτήματα που παρουσιάζει ο σχεδιασμός και η υλοποίηση LDPC αποκωδικοποιητών είναι η μεγάλη πολυπλοκότητα που παρουσιάζεται σε επίπεδο υλικού εξαιτίας της εσωτερικής διασύνδεσης των μονάδων επεξεργασίας δεδομένων.H αρχιτεκτονική που επιτυγχάνει το μέγιστο επίπεδο παραλληλότητας και κατά συνέπεια είναι πολύ αποδοτική όσον αφορά την ταχύτητα αποκωδικοποίησης, δεν χρησιμοποιείται συχνά εξαιτίας της πολυπλοκότητας του υλικού λόγω των πολλαπλών κυκλωμάτων διασύνδεσης που απαιτεί. Στην παρούσα διπλωματική εργασία προτείνεται μια νέα αρχιτεκτονική για το δίκτυο διασύνδεσης ενώ παράλληλα έχει υλοποιηθεί και ένας αλγόριθμος για την αποδοτική τοποθέτηση των επεξεργαστικών μονάδων σε αυτό το δίκτυο. Επίσης έχει μελετηθεί και η επίδραση μειωμένης μετάδοσης πληροφορίας σε κάθε επανάληψη του αλγορίθμου αποκωδικοποίησης.Το περιβάλλον που χρησιμοποιήθηκε για την εξομοίωση και την παραγωγή των αποτελεσμάτων είναι η πλατφόρμα της Matlab. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε και εξομοιώθηκε σε κώδικες LDPC που αποτελούν μέρος του προτύπου DVB - S2 (Digital Video Broadcasting).Το συγκεκριμένο πρότυπο, εκτός των άλλων, καθορίζει και τις προδιαγραφές των κωδίκων LDPC που χρησιμοποιούνται κατά την κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση δεδομένων σε συστήματα ψηφιακής δορυφορικής μετάδοσης. Τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων σχετίζονται με την πολυπλοκότητα της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής σε υλικό αλλά και της απόδοσης (ταχύτητα αποκωδικοποίησης) και συγκρίνονται με την βασική πλήρως παράλληλη αρχιτεκτονική. / One of the main disadvantages of the design and implementation of LDPC decoders is the great complexity presented at the hardware level because of the internal interconnection of processing units. The fully parallel architecture that achieves the maximum level of parallelism and hence is very efficient in terms of speed decoding is not used often because of the hardware complexity due to the multiple interface circuits required. This MSc thesis proposes a new architecture for the network interface and also introduces an algorithm for the efficient placement of the processing units in this network. In addition to that, a modified version of the decoding algorithm has been implemented. The relative advantage of this algorithm is that in each iteration only a percentage of the processing units exchange information with each other. That approach further reduces the hardware complexity and power usage. The environment used to simulate and produce the results is Matlab. The proposed architecture is implemented and simulated in LDPC codes that are part of the standard DVB - S2 (Digital Video Broadcasting). This standard, among other things, determines the specifications of the LDPC codes used in the channel encoding and decoding process in digital satellite transmission systems. The results of the simulations related to the complexity of the proposed architecture in hardware and performance (decoding speed) are compared with the fully parallel architecture.

Κανάλια με αραιή κρουστική απόκριση εμφανίζονται πάρα πολύ συχνά σε εφαρμογές ασύρματων κυρίως τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών είναι η εκπομπή HDTV (HighDefinitionΤelevision) ή εκπομπή μέσω υποθαλλάσιων ακουστικών καναλιών. Σε όλες αυτές τις εφαρμογές η μορφή του καναλιού διαμορφώνεται από το φαινόμενο της πολυδιόδευσης. Συνεπώς ο δέκτης λαμβάνει έναν περιορισμένο αριθμό από διαφορετικές εκδοχές του εκπεμπόμενου σήματος καθεμία με διαφορετική εξασθένιση και καθυστέρηση. Ως εκ τούτου η συνάρτηση της κρουστικής απόκρισης ενός τέτοιου καναλιού αποτελείται από ελάχιστα μη μηδενικά στοιχεία σε συγκριση με το μήκος της, καθένα από τα οποία αντιστοιχεί σε ένα από τα μονοπάτια πολυδιόδευσης. Για την ισοστάθμιση αυτών των καναλιών έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές, πολλές από τις οποίες εκμεταλλεύονται την ιδιαίτερη αυτή μορφή της κρουστικής απόκρισης. Πολλοί από τους προτεινόμενους ισοσταθμιστές καναλιών απαιτούν την παρεμβολή ακολουθίων εκμάθησης ανάμεσα στην ακολουθία δεδομένων, οι οποίες είναι εκ των προτέρων γνωστές στον δέκτη. Χρησιμοποιούνται δε προκειμένου ο αλγόριθμος εκτίμησης του καναλιού να συγκλίνει όσο το δυνατόν ταχύτερα στην επιθυμητή τιμή. Μειονέκτημα αυτών των μεθόδων είναι η επιβάρυνση του ωφέλιμου εύρους ζώνης που συνεπάγεται. Ωστόσο η εκ των προτέρων γνώση της αραιής μορφής της κρουστικής απόκρισης εχει δώσει αφορμή για την σχεδίαση ισοσταθμιστών με περιορισμένο μήκος αλλά εξίσου καλή απόδοση. Οι συμβατικές τεχνικές εκτίμησης καναλιών, όπως η Least Square μέθοδος, δεν εκμεταλλεύονται αυτή την γνώση. Οι πρόσφατες δε εξελίξεις στην ανακατασκευή αραιών σημάτων μέσω τεχνικών συμπιεσμένης καταγραφής (compressed sensing) έχουν οδηγήσει στην μελέτη της εφαρμογής τέτοιων τεχνικών στο πρόβλημα της εκτίμησης καναλιού. Η μέθοδος της συμπιεσμένης καταγραφής στηρίζεται στη δυνατότητα ανακατασκευής αραιών σημάτων από πλήθος δειγμάτων αισθητά κατώτερο από αυτό που προβλέπει το θεωρητικό όριο του Nyquist. Έχει αποδειχθεί ότι η ανακατασκευή αυτή είναι δυνατή όταν το σήμα ή έστω κάποιος μετασχηματισμός του περιέχει λίγα μη μηδενικά στοιχεία σε σχέση με το μήκος του. Οι εφαρμογές αυτών των τεχνικών εκτείνονται και σε άλλα πεδία όπως η επεξεργασία εικόνας, η μαγνητική τομογραφία, η ανάλυση γεωφυσικών δεδομένων, η επεξεργασία εικόνας radar, η αστρονομία κ.α. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας παρουσιάζονταιοι βασικές αρχές που διέπουν την ανακατασκευή αραιών σημάτων μέσω της επίλυσης υποορισμένων συστημάτων γραμμικών εξισώσεων. Παράλληλα παρουσιάζονται οι κυριότεροι αλγόριθμοι που έχουν προταθεί για την υλοποίηση της και εξετάζονται ως προς την απόδοση και την υπολογιστική πολυπλοκότητα τους. Εν συνεχεία εξετάζεται η εφαρμογή αυτών των αλγορίθμων στο πρόβλημα της εκτίμησης αραιών καναλιών. Προτείνονται δε ισοσταθμιστές αραιών καναλιών βασισμένοι σε εκτιμητές απόκρισης που χρησιμοποιούν τεχνικές συμπιεσμένης καταγραφής. / Channels with sparse impulse response are very common in wireless telecommunications systems applications. Example of such channel is HDTV channel where multipath distribution of the transmitted signal results in a sparse form of the channel impulse response. Several different versions of the same signal are received, each one with its own gain and delay. As a result, channel impulse response has a few non zero taps compared to its length, its one corresponding to a different distribution path. Several techniques for estimating and equalizing such channels have been proposed, most of them taking advantage of this sparse form of the impulse response. The transmission of a training sequence known to the receiver is required for this purpose. It is used so that the channel estimation algorithm at the receiver converges faster. The disadvantage of the use of a training sequence is the fact that the useful bandwidth is reduced. However the a priori knowledge of the sparse form of the training sequence has led to the design of equalizers that require short training sequences but have satisfactory performance. Channel estimation techniques based on least square method do not take advantage of this idea. On the other hand recent progress on sparse signal reconstruction using compressed sensing techniques has led scientists to research the potential use of such algorithms in channel estimation. Compressed sensing is based on the idea of reconstructing a sparse signal using less samples that those predicted by Nyquist theorem. It has been proved that such a reconstruction is feasible if the reconstructed signal is sparse enough. In this dissertation several sparse signal reconstruction algorithms are presented and their performance and complexity are evaluated. Then the application of these algorithms on channel estimation equalization problem is analyzed.

Τα τελευταία χρόνια, η ραγδαία αύξηση των χρηστών ασύρματης επικοινωνίας και η ολοένα και αυξανόμενη ζήτηση πιο αποδοτικών επικοινωνιών μεταξύ των χρηστών, έστρεψαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας στην μελέτη πιο ευέλικτων ασύρματων δικτύων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον προς αυτή την κατεύθυνση παρουσιάζουν τα Γνωστικά Συστήματα Ραδιοεπικοινωνιών (Cognitive Radios). Τα Γνωστικά Συστήματα είναι ευφυή συστήματα τα οποία έχουν την ικανότητα να αντιλαμβάνονται τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκονται και να προσαρμόζουν κατάλληλα τις παραμέτρους της μετάδοσης τους με στόχο πιο αξιόπιστες και πιο ευέλικτες επικοινωνίες. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτών των συστημάτων είναι το γεγονός ότι μπορούν να συνυπάρξουν ταυτόχρονα δύο είδη χρηστών, οι κύριοι και οι δευτερεύοντες. Κύριοι είναι οι χρήστες οι οποίοι έχουν νόμιμη άδεια χρήσης μιας ζώνης συχνοτήτων από κάποια αρμόδια αρχή, ενώ δευτερεύοντες ονομάζονται οι χρήστες του δικτύου που δεν έχουν άδεια χρήσης κάποιας ζώνης συχνοτήτων αλλά υπό κατάλληλες συνθήκες μπορούν να χρησιμοποιήσουν κάποια ζώνη που ανήκει στους κύριους χρήστες. Η μετάδοση των δευτερευόντων χρηστών γίνεται με τέτοιο τρόπο (συχνότητα και χρόνο μετάδοσης), ώστε να μην δημιουργείται παρεμβολή στους κύριους χρήστες. Πρόσφατα, το ερευνητικό ενδιαφέρον στράφηκε προς την χαρτογράφηση κάποιον φαινομένων σε τέτοιου είδους συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, με τον όρο χαρτογράφηση εννοούμε την μελέτη ενός φαινομένου, όπως για παράδειγμα της παρεμβολής ή του κέρδους του καναλιού όχι μόνο ως προς το χρόνο αλλά και ως προς το χώρο. Για παράδειγμα, στα γνωστικά συστήματα η χαρτογράφηση του καναλιού δίνει τη δυνατότητα στους δευτερεύοντες χρήστες ανά πάσα στιγμή να γνωρίζουν το πιθανό κανάλι επικοινωνίας προς όλα τα σημεία του χώρου που μελετούμε. Κάτι τέτοιο, λόγω της ιδιαιτερότητας αυτού του συστήματος, μπορεί να δώσει πολύτιμες πληροφορίες για τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να εκπέμψουν οι δευτερεύοντες χρήστες έτσι ώστε να μην παρεμβάλλονται στην μετάδοση των κύριων χρηστών. Οι εργασίες που σχετίζονται με τα γνωστικά συστήματα μέχρι τώρα είχαν ως στόχο την μελέτη είτε της επισκίασης είτε της παρεμβολής που μετριέται σε ένα σημείο του χώρου. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, στόχος μας ήταν η μελέτη της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης (long range prediction) ενός καναλιού σε ένα δίκτυο κινούμενων γνωστικών χρηστών, κάτι το οποίο δεν έχει μελετηθεί έως τώρα. Με τον όρο μακροπρόθεσμη πρόβλεψη καναλιού αναφερόμαστε στην εκτίμηση του καναλιού σε κάποια επόμενη χρονική στιγμή. Δεδομένου ότι το κανάλι επηρεάζεται τόσο από φαινόμενα μικρής όσο και από ευρείας κλίμακας στρέψαμε το ενδιαφέρον μας σε ένα ενοποιημένο μοντέλο καναλιού που περιλαμβάνει και τα δύο είδη εξασθένησης. Αυτή η μακροπρόθεσμη πρόβλεψη του χρονικά μεταβαλλόμενου καναλιού αποσκοπεί στην χαρτογράφηση των διαθέσιμων καναλιών στο χώρο αλλά και στο χρόνο, πληροφορία που μπορεί να φανεί πολύ χρήσιμη σε διάφορες εφαρμογές όπως αυτή της δρομολόγησης πακέτων πληροφορίας σε ένα δίκτυο, ή της κατανομής ενέργειας στα γνωστικά και σε άλλα ασύρματα συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 1, θα αναφερθούμε στις νέες τάσεις που ακολουθούνται στις ασύρματες επικοινωνίες. Αρχικά θα αναφερθούμε στις συνεργατικές επικοινωνίες και τις λεγόμενες συντονισμένες μεταδόσεις πολλαπλών σημείων ενώ στην συνέχεια θα επικεντρωθούμε στα γνωστικά δίκτυα και τις λειτουργίες που επιτελούν. Στο κεφάλαιο 2 θα περιγράψουμε με λεπτομέρεια τους μηχανισμούς διάδοσης των ηλεκρομαγνητικών κυμάτων και τα δύο βασικά είδη εξασθένησης που παραμορφώνουν το λαμβανόμενο σήμα στον δέκτη. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αυτού θα περιγράψουμε διάφορα μοντέλα που περιγράφουν τα δύο είδη εξασθένησης και τέλος, θα παρουσιάσουμε ένα μοντέλο που τα συνδυάζει. Στο κεφάλαιο 3, θα παρουσιάσουμε ένα ενοποιημένο μοντέλο το οποίο συμπεριλαμβάνει τόσο τα μικρής όσο και τα μεγάλης κλίμακας φαινόμενα το οποίο θα υιοθετήσουμε στην συνέχεια στην πειρματική μας διαδικασία. Επιπλέον, θα παρουσιάσουμε τους λόγους για τους οποίους στρέψαμε την προσοχή μας στο εν λόγω θέμα. Στο κεφάλαιο 4 θα αναφερθούμε στην έννοια της χαρτογράφησης ενός φαινομένου σε ένα γνωστικό σύστημα και στην τρέχουσα βιβλιογραφία. Πιο συγκεκριμένα, θα κάνουμε μία ιστορική αναδρομή της χρήσης της χαρτογράφησης στα γνωστικά συστήματα. Ξεκινώντας από την χαρτογράφηση της παρεμβολής σε ένα δίκτυο και την χαρτογράφηση του φάσματος, θα επικεντρωθούμε στην χαρτογράφηση των φαινομένων ευρείας κλίμακας και ειδικά στην χαρτογράφηση της επισκίασης. Στο κεφάλαιο 5 θα μελετήσουμε την έννοια της εκτίμησης και παρακολούθησης καναλιού και θα επικεντρωθούμε σε παραμετρικά κανάλια. Στο τέλος του κεφαλαίου, θα διευρύνουμε την παρακολούθηση ενός καναλιού με την διαδικασία της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης του κέρδους του καναλιού. Αυτή η επιπλέον γνώση της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης σε συνδυασμό με διαδικασίες χωρικής παρεμβολής σε ένα γνωστικό σύστημα μπορεί να βελτιώσει πολύ τις συνθήκες μετάδοσης. Λόγω της ιδιαιτερότητας που παρουσιάζουν τα εν λόγω συστήματα κάθε επιπλέον μακροπρόθεσμη πληροφορία της κατάστασης του δικτύου μπορεί να βοηθήσει σε σημαντικές αποφάσεις κατανομής ισχύος ή μετάδοσης ώστε να ελαχιστοποιηθεί η παρεμβολή προς τους κύριους χρήστες. Στο κεφάλαιο 6 θα περιγράψουμε με λεπτομέρεια το πρόβλημα μακροπρόθεσμης πρόβλεψης με το οποίο ασχοληθήκαμε και θα παρουσιάσουμε μία σειρά από πειραματικά αποτελέσματα που σχετίζονται με την ποιότητα της πρόβλεψης του καναλιού κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 θα αναφερθούμε στα συμπεράσματα που προέκυψαν από την συγκεκριμένη διπλωματική εργασία καθώς και σε κάποιες μελλοντικές κατευθύνσεις που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Οι κατευθύνσεις αυτές σχετίζονται τόσο για το συγκεκριμένο αλγόριθμο που χρησιμοποιήσαμε όσο και με πιθανές εφαρμογές του. / In recent years, the use of wireless communication systems has rapidly increased along with the demand for more resource hungry applications. To support such demands, the research community has been focusing into new more efficient and more flexible communications techniques and systems. To this end, the so-called cognitive radio systems are of particular interest. In a cognitive system, the participating communication nodes are able of understanding the special characteristics of the surrounding environment and adjust, accordingly, their transmission parameters in order to achieve a reliable level of communication. An identifying element of such systems is the co-existence of two kinds of users, i.e. the primary and the secondary ones. The first are licensed users of a specific transmission band as opposed to the second, who are not licensed to use such a band, however under certain constraints and conditions they are allowed to. Their transmission is performed in an appropriate manner so as not to interfere with the primary users. Currently, there is an active research interest in the so-called cartography of certain phenomena that occur in the wireless medium used by systems like the cognitive ones. Specifically, the term cartography is used for the study of a phenomenon such as the gain of channel through time and space for any pair of points in a given region. This information could, for example, support the decision making procedure of a secondary user related to the selection of a transmission band to use for transmission, reducing in this way the produced interference level. The research efforts, so far, has been focusing on the cartography of either the shadowing phenomenon or the interference that is present at a particular point at space. In this master thesis, the main target is the study of long-range channel prediction algorithms in a cognitive network of mobile users that take into account both small and large scale fading. The phrase “long-range channel prediction” refers to the process of predict the value of the channel at a future time instant. In order to capture the twofold nature to fading, i.e. small and large scale one, a unifying channel model is adopted. This operation and the predicted information aim at providing the necessary tools in order to map the available channels into space as well as time. This information can be valuable in numerous applications such as routing of data packets and resource allocation. In more detail, chapter 1 is an introduction to wireless communications focusing on their history and the new directions that look to the future. Specifically, a description will be provided for the evolution of cellular and ad hoc wireless networks along with three new tendencies, i.e. cooperative communications, coordinated multipoint or transmissions and cognitive networks. In chapter 2, an introduction of the wireless medium for transmitting communications signals is presented. Specifically, at first, the propagation mechanisms of electromagnetic waves along with their two main sources of fading that distort signals will be provided. Then, appropriate models for the fading sources will be described which are useful for developing and evaluating communications algorithms. A unified model that incorporates both small and large-scale fading is presented in chapter 3. This model will be used later in this thesis during the experimental analysis. Moreover, a motivation of looking into this direction will be provided. In chapter 4, a bibliographic presentation of cartography will be presented. The chapter will start with a historical review of chartography. First, the focus will be on the mapping of interference and spectrum usage. Then, the focus will shift towards the mapping of large scale phenonena, especially, the mapping of shadowing. The estimation/tracking and prediction of wireless channels will be the main focus of chapter 5. Parametric channels and associated algorithms will be presented. Moreover, a long rage prediction algorithm, that is studied in this thesis, will be described in detail. This additional information combined with spatial interpolation techniques can, in general, be used to improve the transmission conditions in a cognitive system. This information, in such systems, can assist in decision making procedures related to power allocations and transmissions, so as to mitigate the interference among the users. The aforementioned synthesized channel model along with the long rage prediction problem that is studied in this thesis will be evaluated in chapter 6. In this chapter, exhaustive simulations have been conducted targeting the prediction performance under different propagation conditions. Finally, in chapter 7, the main conclusions drawn in this thesis along with some future research directions will be provided. The directions are related both with the specific algorithm that was studied and some possible applications.

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.

H διατριβή αντιμετωπίζει το πρόβλημα της σχεδίασης ασφαλών υποσυστημάτων που μπορούν να υπάρξουν σε μη-εμπιστεύσιμα συστήματα διασφαλίζοντας τη δική τους ασφάλεια στο μεγαλύτερο δυνατό βαθμό. Στα πλαίσια της διατριβής προσεγγίστικε το πρόβλημα της ασφάλειας γενικά εντοπίζοντας παράλληλα περιοχές οι οποίες κρίθηκαν σημαντικές για περαιτέρω διερεύνηση. Αρχικά παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη αρχιτεκτονικής ασφάλειας για ένα δικτυο-κεντρικό σύστημα. Εστιάζοντας στα ενσωματωμένα συστήματα εξετάστηκαν θέματα απόδοσης κρυπτογραφίας μνήμης δεδομένου ότι η κρυπτογραφία μνήμης αποτελεί βασικό κομμάτι για την ασφάλεια ενός ενσωματωμένου συστήματος. Στη συνέχεια εξετάζεται ένα είδος επίθεσης πλαγίου καναλιού και εισάγεται μια μεθοδολογία προστασίας από μια τέτοια επίθεση. Δεδομένου ότι θέματα ασφαλείας που υπάρχουν σε συστήματα γενικού σκοπού μπορούν να αποτελέσουν μελλοντικούς κινδύνους για συστήματα ενσωματωμένου σκοπού παράλληλα με την επίβλεψη/υποστήριξη διπλωματικών εργασιών αναπτύχθηκαν λύσεις για ασφαλή εκκίνηση όπως και για τον εντοπισμό και αφαίρεση rootkit. Τέλος ως «τελευταίο» επίπεδο και δεδομένου ότι όλα τα συστήματα χρησιμοποιούνται για την ποιοτική και ασφαλή λειτουργία μιας υπηρεσίας, η διατριβή εστίασε σε θέματα ασφαλειας στο επίπεδο των εφαρμογών. Παρουσιάζεται μια μελέτη του Spam και μεθοδολογία καταπολέμησης του και τέλος επιθέσεις cross-scripting και εφαρμογή για την ανίχνευση μη επιθυμητών συναλλαγών που πραγματοποιούνται από κακόβουλες εφαρμογές. / This dissertation addresses the problem of designing secure subsystems that can exist in non-trusted infrastructures ensuring their own safety to the greatest extent possible. The problem of security was approached in a holistic view identifying areas important for further investigation. Initially we present the methodology used for the design and development of the security architecture for a network-centric system. Later we focus on embedded systems were the performance of memory encryption was examined, since memory encryption can be crucial for embedded system security. Side- channel attacks are also presented and a methodology for protection against such attacks is presented. Keeping in mind that the increase in power in embedded systems makes even more complicated attacks possible solutions were developed for secure boot and for identifying and removing rootkit. At last "last" and with the idea that all sub-systems are used for the qualitative and safe operation of a service, dissertation focused on security issues at the application level. A study of Spam is presented along with a fight-back methodology. Finally cross-scripting attacks are presented.

Η βελτιστοποίηση των συστημάτων επικοινωνίας πολλαπλών εισόδων-εξόδων (MIMO) απαιτεί τη δοκιμή τους υπό ρεαλιστικές συνθήκες και σε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα. Η δοκιμή απ’ ευθείας σε πραγματικά ασύρματα περιβάλλοντα δεν είναι αποδοτική μέθοδος, ειδικά κατά τα στάδια της σχεδίασης και του ελέγχου σωστής λειτουργίας, καθώς το κανάλι είναι πολύ ευαίσθητο, μη ελέγξιμο και μη αιτιατό. Επιπροσθέτως, η δοκιμή σε πραγματικά κανάλια δεν είναι πρακτική μέθοδος όταν χρειάζεται να δοκιμάσουμε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα ή να συμπεριληφθεί η κίνηση μέσα στις δοκιμές. Η δημιουργία ρεαλιστικών μοντέλων για κανάλια, χρησιμοποιώντας εργαλεία λογισμικού (Software) είναι μια δεύτερη επιλογή η οποία όμως δεν παράγει αποτελέσματα σε πραγματικό χρόνο και είναι επιπρόσθετα αρκετά χρονοβόρα. Ο λόγος είναι ότι αφού παραχθούν οι συντελεστές του καναλιού στο λογισμικό, η συνέλιξη των συντελεστών αυτών που συνιστούν την κρουστική απόκριση του καναλιού με τα μεταδιδόμενα σήματα είναι μια σχετικά αργή διαδικασία που θέτει φραγμούς στην εξομοίωση πραγματικού χρόνου. Σε κάποια συστήματα δοκιμών βασισμένα σε λογισμικό, τα διαμορφωμένα δεδομένα και τα διαλείπτοντα σήματα συντίθεται ώστε να δημιουργήσουν μιγαδικές (I/Q) κυματομορφές οι οποίες μεταφορτώνονται στη μνήμη μιας γεννήτριας αυθαίρετων κυματομορφών για να παραχθούν από τη γεννήτρια ραδιοκυμάτων. Υπάρχουν αρκετά εργαλεία λογισμικού που μπορούν να επιταχύνουν τη διαδικασία δημιουργίας κυματομορφών με διαλείψεις, όπως για παράδειγμα το εργαλείο MatlabΤΜ της εταιρείας MathWorks, αλλά αυτά περιορίζονται στα παραδοσιακά μοντέλα διαλείψεων. Ακόμα οι γεννήτριες αυθαίρετων κυματομορφών διαθέτουν περιορισμένη μνήμη, με αποτέλεσμα οι παραγόμενες κυματομορφές να είναι αρκετά μικρές και να επαναλαμβάνονται απλώς στο χρόνο. Για όλους αυτούς τους λόγους χρειάζεται να επιστρατεύσουμε ειδικού σκοπού υλικό το οποίο εξομοιώνει ρεαλιστικά κανάλια πολλαπλών εισόδων-εξόδων ώστε να δώσουμε μια λύση στις απαιτητικές αυτές συνθήκες εξομοίωσης. Στην παρούσα διπλωματική σχεδιάσαμε έναν προσομοιωτή καναλιών για κανάλια βασικής ζώνης πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων (baseband MIMO), σε αρχιτεκτονική υλικού και συγκεκριμένα σε συστοιχίες προγραμματιζόμενων πυλών (FPGA). Ο προσομοιωτής αυτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πιστοποίηση της λειτουργίας μιας σειράς επεξεργαστών για σύγχρονα και επόμενης γενιάς τηλεπικοινωνιακά συστήματα. / Optimization of multiple input multiple output (MIMO) communication systems, requires testing under realistic conditions and various channel environments. Direct tests on real-world channel environments, is not an efficient method since the channel is very sensitive, not controllable and non–causal. Moreover, testing in a real channel is not a practical method when various different channels need to be tested or mobility to be included in the tests. A second option is to create realistic channel models, using software tools but this does not produce real time results and can also be prohibitively time-consuming. The reason for this, is that after creating the channel coefficients in software that form the channel’s impulse response, the convolution of these coefficients with the transmitted signals is a relatively slow process that hinders real-time simulation. In some software-based test systems the modulated data and fading signals are used to create complex (I/Q) waveforms that are downloaded into the memory of an arbitrary waveform generator in order to be generated by the RF signal generator. Many software tools exist, that can accelerate the process of fading waveform creation, such as MathWorks’ MatlabΤΜ but these tools are limited to traditional fading models. Moreover the arbitrary waveform generators consist of limited memory resulting in short waveforms that simply repeat over time. For these reasons, a requirement for specialized instrumentation arises, one that can emulate realistic multiple input-multiple output channels, in order to provide an efficient solution to these demanding simulation conditions. In the context of the current thesis, we design a baseband multiple input-multiple output (MIMO) emulator into hardware, specifically into Field Programmable Gate Array (FPGA). This particular hardware component is suitable for the functional verification of a variety of baseband processors for current and next generation telecom equipment.

Στις υποθαλάσσιες επικοινωνίες χρησιμοποιούνται ακουστικά κύματα για τη μεταφορά της πληροφορίας. Κατά τη διαδικασία της μετάδοσης εμφανίζονται προβλήματα που σχετίζον- ται με τη καθυστέρηση διάδοσης, την εξασθένηση του σήματος, τις πολλαπλές οδεύσεις λόγω ανάκλασης καθώς και άλλα προβλήματα που παρουσιάζονται στις ασύρματες επι- κοινωνίες. Στην παρούσα εργασία αναλύεται και εξετάζεται η πλειονότητα αυτών. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία συνοπτική περιγραφή του φαινομένου των διαλείψεων καθώς και η ανάλυση βασικών εννοιών, τις οποίες συναντάμε σε επόμενα κεφάλαια. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η πολύπλεξη OFDM, η οποία χρησιμοποιείται στις περισσότερες εφαρμογές των υποθαλάσσιων επικοινωνιών. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται μαθηματικά η τυφλή εκτίμηση για συστήματα OFDM και αναφέρονται επίσης προσαρμοστικοί αλγόριθ- μοι για την εκτίμηση του καναλιού με βάση την θεωρία η οποία παρουσιάζεται. Τέλος στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθεται κώδικας matlab, στον οποίο γίνεται χρήση των αλγορίθμων των τρίτου κεφαλαίου με σκοπό την εκτίμηση της κρουστικής απόκρισης του καναλιού, ενώ πέραν της γενικής περίπτωσης εξετάζονται επιπλέον λύσεις sparse μορφής. / --

Ένα από τα βασικότερα τμήματα ενός συστήματος ψηφιακής μετάδοσης είναι η κωδικοποίηση καναλιού, η οποία στόχο έχει την ανίχνευση και διόρθωση των λαθών που εισάγονται στην πληροφορία μέσα στο κανάλι. Οι Bose, Chaudhuri και Hocquenghem (BCH) κώδικες είναι μία μεγάλη ομάδα ισχυρών κυκλικών κωδίκων διόρθωσης τυχαίων λαθών. Οι BCH κώδικες περιγράφονται με χρήση αλγεβρικών δομών που λέγονται πεπερασμένα πεδία. Για την κατανόηση των λειτουργιών κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης απαιτείται η προσεκτική μελέτη της άλγεβρας πεπερασμένων πεδίων και της αριθμητικής της. Οι BCH κώδικες χρησιμοποιούνται στο δορυφορικό πρότυπο DVB-S2, σε συνδυασμό με LDPC κώδικες. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε σχεδίαση και υλοποίηση κωδικοποιητών και αποκωδικοποιητών για κώδικες BCH(15,5,3) και BCH(16200,16008,12). Ο δεύτερος αποκωδικοποιητής σχεδιάστηκε με βάση της προδιαγραφές που θέτει το DVB-S2, και καλύπτει μία από τις περιπτώσεις κωδικοποίησης του συστήματος. Τέλος, αποδεικνύεται ότι με ελάχιστες μετατροπές ο ίδιος αποκωδικοποιητής μπορεί να καλύψει όλες τις περιπτώσεις διόρθωσης 12 λαθών ενός DVB-S2 συστήματος. / Channel coding is one of the most important parts of a digital transmission system, and it aims at the detection and correction of errors that might have occurred in a noisy channel. Bose, Chaudhuri and Hocquenghem (BCH) codes form a large class of powerful random error-correcting cyclic codes. BCH codes operate over algebraic structures called finite fields. Understanding the processes of encoding and decoding requires a careful study of finite field algebra and the associated arithmetic. DVB-S2 is a specification for satellite broadcasting that deploys BCH codes combined with LDPC codes. This thesis sets out to account for the design and implementation of encoders and decoders for the BCH(15,5,3) and BCH(16200,16008,12) codes. The BCH(16200,16008,12) encoder/decoder was designed according to the DVB-S2 standard. Proof is provided that the same encoder/decoder, with only some minor changes, can be used for all the 12 error-correcting codes used in DVB-S2.

Σε αυτή την εργασία, αφού παρουσιαστεί αναλυτικά η τεχνολογία UWB, μελετούνται από τη βιβλιογραφία τρόποι για την εκτίμηση του ασύρματου καναλιού με χρήση δεδομένων εκπαίδευσης. Στη συνέχεια, υπάρχει μια ανάλυση της προσομοίωσης που έγινε με τη βοήθεια του λογισμικού MATLΑB η οποία υλοποιεί τον πομπό, το κανάλι και το δέκτη με εκτιμητή καναλιού και στο τέλος μελετάται η απόδοση του συστήματος. / This report presents the UWB impulse radio technology and contains a relevant study of channel estimation techniques. In next chapters there is a MATLAB simulation for the full system and the channel estimator subsystem and conclusions are made.