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

Ο υπολογισμός της χωρητικότητας Shannon ενός τηλεπικοινωνιακού καναλιού είναι ένα από τα κλασικά προβλήματα της θεωρίας πληροφορίας. Η τιμή της προσδιορίζει το μέγιστο δυνατό ρυθμό αξιόπιστης μετάδοσης μέσα από το κανάλι και αποτελεί ρυθμιστική παράμετρο κατά το σχεδιασμό κάθε τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Στις πιο ενδιαφέρουσες περιπτώσεις ο υπολογισμός καταλήγει σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης για το οποίο δε μπορεί να δοθεί αναλυτική λύση, οπότε καταφεύγουμε στη χρήση προσεγγιστικών μεθόδων ή στη διατύπωση φραγμάτων. Στα πλαίσια της εργασίας μελετάται η χωρητικότητα Shannon τηλεπικοινωνιακών καναλιών ενός ή πολλαπλών χρηστών. Η μελέτη ξεκινά από την απλές περιπτώσεις του διακριτού καναλιού χωρίς μνήμη (DMC) και του καναλιού AWGN και επεκτείνεται στις πιο ενδιαφέρουσες περιπτώσεις των σύμφωνων ή μη (coherence/non-coherence) καναλιών διάλειψης, σε κανάλια με μνήμη, κανάλια πολλαπλών κεραιών και κανάλια πολλαπλών χρηστών. Σε κάθε περίπτωση καταγράφονται τα σημαντικότερα ερευνητικά αποτελέσματα σχετικά με το πρόβλημα προσδιορισμού της χωρητικότητας, τη συμπεριφορά της σε σχέση με τους παράγοντες του τηλεπικοινωνιακού μοντέλου, του αλγοριθμικού υπολογισμού της και τα χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει η είσοδος ώστε να επιτυγχάνεται η τιμή της. / Computing the Shannon Capacity of a communication channel is one of the classic problems of information theory. Its value determine the maximum possible rate of reliable transmission through the channel and constitutes a design parameter during the designing of the communication system. In most interesting cases the problem ending to an optimization problem which can’t be solved analytically, so we refuge to approximating methods and we can only state bounds for the region in which capacity belongs. In this thesis we study the Shannon Capacity of single user and multiple user communications systems. The study begins with the simple cases of Discrete Memoryless Channel (DMC) and AWGN channel and goes further to more interesting cases like coherence/non-coherence fading channels, channels with memory, multiple antenna channels and channels with multiple users. In each case, we present the most important scientific results considering the problem of capacity, its behavior in relation to the parameters of the communication model, its algorithmic computation and the characteristics of the optimal input.

Οι σύγχρονες επικοινωνιακές ανάγκες οδήγησαν στην ευρεία εξάπλωση των ασύρματων δικτύων και στη σταδιακή αντικατάσταση των υφιστάμενων ενσύρματων. Η ραγδαία εξέλιξη των ασυρμάτων επικοινωνιών είχε ως αποτέλεσμα την σημαντική μείωση των διαστάσεων των τερματικών συσκευών, την ολοκλήρωση διαφορετικών υπηρεσιών διαφορετικών συχνοτήτων λειτουργίας στην ίδια συσκευή και την ανάγκη πολλαπλών κεραιών για την αντιμετώπιση του φαινοµένου της διάλειψης και της διασυµβολικής παρεμβολής του ασύρματου καναλιού. Αυτές οι εξελίξεις έθεσαν καινούργιες απαιτήσεις στην σχεδίαση της κεραίας οδηγώντας στην ανάγκη κεραιών εξαιρετικά μικρών διαστάσεων, πολυσυχνοτικών, χαμηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και επιθυμητών χαρακτηριστικών ακτινοβολίας κατά περίπτωση. Όλα αυτά είχαν ως αποτέλεσμα να δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στη μελέτη και σχεδιασμό τυπωμένων επίπεδων κεραιών που θα συμβάλλουν στην εξασφάλιση της κατάλληλης ποιότητας παρερχόμενων υπηρεσιών (QOS). Οι τυπωμένες επίπεδες κεραίες αποτελούν κυρίαρχο συστατικό ενός ασύρματου επικοινωνιακού συστήματος και αποτελούν αντικείμενο μελέτης καθώς παρουσιάζουν ελκυστικά χαρακτηριστικά. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε πως έχουν χαμηλό κατασκευαστικό κόστος, μικρό βάρος και μέγεθος. Επιπλέον είναι εύκολο να κατασκευαστούν, να ενσωματωθούν σε τερματικές διατάξεις και μικροκυματικά κυκλώματα και να συνδυαστούν σε επίπεδες συστοιχίες κεραιών. Πρόκειται για διατάξεις συμβατές με ηλεκτρονικά σταθερής κατάστασης ,τεχνολογίες Silicon, υβριδικά και μονολιθικά κυκλώματα και είναι κατάλληλες για μεγάλο εύρος εφαρμογών. Στη παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια μελέτη τυπωμένων κεραιών γεωμετρίας Yagi για ασύρματες τερματικές συσκευές ,με έμφαση στις εφαρμογές των κινητών επικοινωνιών και των ασυρμάτων τοπικών δικτύων. Αρχικά πραγματοποιήθηκε μια βιβλιογραφική αναζήτηση και παρουσίαση των υπαρχόντων Yagi κεραιών που έχουν παρουσιαστεί κατά καιρούς στη διεθνή βιβλιογραφία και στη συνέχεια μελετήθηκαν και σχεδιάστηκαν τυπωμένες Yagi κεραίες για διαφορετικές εφαρμογές και με διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας .Εξομοιώθηκαν κεραίες στενής αλλά και ευρείας ζώνης με διαφορετική γεωμετρική δομή, μέγεθος, μηχανισμούς τροφοδοσίας και ζώνες λειτουργίας. Επιπλέον εξετάστηκαν ζητήματα όπως ο συνδυασμός των τυπωμένων κεραιών σε συστοιχίες καθώς και ο ρόλος του επιπέδου γείωσης, του μηχανισμού τροφοδοσίας , των κατευθυντικών στοιχείων και πώς αυτά επηρεάζουν τη λειτουργία της κεραίας. / Modern communication needs have led to wide spread of wireless networks and to the progressive replacement of the existing wired-ones. Wireless communications’ rapid development resulted in the reduction of terminal device’s dimensions as well as in the integration of different services operating in various frequencies in the same device and finally in the deployment of multiple antennas systems to mitigate the phenomena of fading and intersymbol interference of wireless channel. These developments, in turn, placed new requirements in antenna’s design leading to the need of exceptionally small, low-cost and multiband antennas, possessing high efficiency and desirable radiation characteristics. As a result specific emphasis was given in the study and design of printed antennas that will guarantee the appropriate quality of services (QOS). It is a fact that printed planar antennas are one of the most important components of a wireless communication system and they are an object of great study as they present attractive characteristics. It is important to mention that they are small in weight and size and they can be easily fabricated with low cost procedures. Moreover they can be integrated in terminal devices and microwave circuits and they can be combined in antenna arrays. In addition they are compatible with solid-state electronics, Silicon technologies, hybrid and monolithic circuits and they are suitable for a wide range of applications. A study on printed Yagi antennas for terminal devices is presented on this thesis with emphasis in applications for mobile communications and wireless local networks. Initially a bibliographic research has been realised on existing printed Yagi antennas that have occasionally been presented in the international bibliography and we their different features and geometric models have been introduced. Afterwards, printed Yagi antennas have been deigned and studied for different applications with various operational characteristics. We have simulated narrowband and also broadband antennas with different geometric structure, size, feeding mechanism and area of operation. Moreover many issues have been examined such as antennas’ combination in arrays, antennas’ operation and performance in comparison with ground plane presence, different feeding mechanism and additional directors.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται µια εκτενής µελέτη συστηµάτων απόκλισης τυπωµένων κεραιών για ασύρµατες συσκευές. Η εξέλιξη των ασύρµατων επικοινωνιών και ειδικότερα η κατανόηση των φαινοµένων που λαµβάνουν χώρα στο ασύρµατο κανάλι µετάδοσης έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη τεχνικών αντιµετώπισης φαινοµένων όπως η πολυοδευτική εξασθένηση και η διασυµβολική παρεµβολή. Τέτοιες τεχνικές είναι οι τεχνικές απόκλισης και ειδικότερα οι τεχνικές απόκλισης κεραιών (χώρου, πόλωσης και διαγράµµατος ακτινοβολίας) οι οποίες συνδυάζουν τα λαµβανόµενα από διαφορετικές κεραίες σήµατα µε σκοπό την δηµιουργία ενός σήµατος υψηλότερης στάθµης. Η µεθοδολογία αξιολόγησης της ικανότητας απόκλισης ενός συστήµατος κεραιών περιλαµβάνει τα κριτήρια του συντελεστή συσχέτισης των λαµβανοµένων σηµάτων και του λόγου των µέσων ενεργών κερδών των κεραιών που αποτελούν το σύστηµα. Καθοριστικό ρόλο στην τεχνική απόκλισης διαδραµατίζει ο τρόπος που συνδυάζονται τα λαµβανόµενα σήµατα στον δέκτη, µε την τεχνική του µεγίστου λόγου να αποτελεί την βέλτιστη λύση από πλευράς απόδοσης, αλλά ταυτοχρόνως την πιο δύσκολα υλοποιήσιµη. Η ποσοτικοποίηση της ικανότητας απόκλισης ενός συστήµατος πραγµατοποιείται µε το κέρδος απόκλισης το οποίο λαµβάνει διαφορετικές µορφές και ουσιαστικά παρέχει την πληροφορία του ποσοστού βελτίωσης του συνδυασµένου σήµατος σε σχέση µε µία κεραία αναφοράς. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκαν συστήµατα απόκλισης τυπωµένων κεραιών δύο, τριών, τεσσάρων έως και έξι στοιχείων. Χρησιµοποιήθηκαν κεραίες γεωµετρίας fractal λόγω της σπουδαίας ικανότητας σµίκρυνσης που παρέχει η εν λόγω τεχνική καθώς και το µονόπολο γεωµετρίας ανεστραµµένου F. Ακολουθήθηκε η µεθοδολογία αξιολόγησης της ικανότητας απόκλισης για όλα τα προτεινόµενα συστήµατα και έγινε σύγκριση µεταξύ των συστηµάτων. Μελετήθηκε αφ’ ενός η επίδραση της θέσης της κεραίας σε µία ασύρµατη συσκευή και αφ’ ετέρου η επιλογή της καταλληλότερης προς χρήση κεραίας στην µείωση του φαινοµένου της αµοιβαίας σύζευξης, φαινόµενο το οποίο αποτελεί τον κυριότερο παράγοντα µείωσης της συνολικής ικανότητας απόκλισης σε ένα σύστηµα πολλαπλών κεραιών. Ακόµη, µελετήθηκαν συστήµατα απόκλισης κεραιών τα οποία λειτουργούν σε διαφορετικές µπάντες συχνοτήτων. Τέλος, έγινε µια συγκριτική µελέτη για τον ρόλο που διαδραµατίζει το περιβάλλον και ο τρόπος που κατανέµεται η προσπίπτουσα ισχύς στην συµπεριφορά της απόκλισης των µελετηθέντων συστηµάτων. / This thesis presents a comprehensive study on printed antenna diversity systems for wireless devices. The current upsurge in wireless communications systems and, in particular, the realization of the immanent propagation mechanisms that take place in the transmission medium led to the development of special techniques in order to mitigate the undesired phenomena such as multipath fading and intersymbol interference. Antenna diversity (space, polarization and pattern) is one of these techniques and is based on the assumption that the received signals of two or more antennas could be efficiently combined in order to produce a stronger signal. The evaluation of the diversity performance involves the correlation coefficient of the received signals and the mean effective gain ratio of the diversity antennas. A key role in diversity action plays the combining technique used with the maximum ratio technique producing the best results. Diversity performance is “quantified” by means of diversity gain, which gives the amount of improvement of the combined signal relative to a signal received from a reference antenna. In this thesis, printed antenna diversity systems comprising up to six elements were developed. Antennas of fractal geometry such as the Koch, Minkowski, Sierpinski and FRC monopoles, were utilized due to their inherent miniaturization ability as well as the printed inverted F antenna. All the proposed systems were evaluated according to the methodology mentioned earlier and a comparison of the diversity performance between the systems was carried out. The effect of the antenna placement as well as the proper antenna selection for each system on the reduction of mutual coupling was addressed, which is an issue of primal importance in multi element antenna systems. Multi band antenna diversity systems were also studied. Finally, the impact of the environment’s power distribution on the diversity performance of the antenna systems was considered.

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

Η χρήση πολλαπλών κεραιών παίζει πλέον ένα πολύ σημαντικό ρόλο στη βελτίωση των ραδιοτηλεπικοινωνιών. Για το λόγο αυτό, ο τομέας των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων πολλαπλών κεραιών μετάδοσης – λήψης (συστήματα ΜΙΜΟ) βρίσκεται στο προσκήνιο της ασύρματης έρευνας. Πρόσφατα, αποτελέσματα ερευνών έδειξαν ότι υπάρχει δυνατότητα αύξησης της χωρητικότητας στα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα χρησιμοποιώντας τεχνικές διαφοροποίησης μεταξύ πομπού – δέκτη (antenna diversity), δηλαδή δημιουργίας πολλαπλών ανεξάρτητων καναλιών ανάμεσα τους. Στην παρούσα εργασία μελετούνται τεχνικές κωδικοποίησης που εκμεταλλεύονται τη χωρική διαφοροποίηση κάνοντας χρήση χωροχρονικών κωδικών (space – time coding). Η μελέτη εστιάζεται στη χρήση χωροχρονικών κωδικών ανά μπλοκ από την πλευρά του πομπού, εξαιτίας της απλότητας υλοποίησης τους καθώς και της ικανότητας υποστήριξης πολλαπλών κεραιών από τη πλευρά του σταθμού βάσης. Η ανάλυσή τους γίνεται με βάση την εφαρμογή τους σε συστήματα που χρησιμοποιούν διαμόρφωση με πολυπλεξία ορθογώνιων φερουσών (OFDM). Η διαμόρφωση αυτή επιλέχθηκε γιατί υποστηρίζει υψηλούς ρυθμούς δεδομένων στα ασύρματα συστήματα και δείχνει άριστη συμπεριφορά σε κανάλια με επιλεκτική παραμόρφωση στη συχνότητα. Στη συνέχεια μελετώνται αλγόριθμοι επαναληπτικής αποκωδικοποίησης, δίνοντας έμφαση σε ένα ευρέως διαδεδομένο αλγόριθμο, τον Μέγιστο εκ των Υστέρων (MAP). Αναλύονται διεξοδικά τα βήματα του, καθώς και διάφορες τροποποιήσεις – βελτιστοποιήσεις του. Οι επαναληπτικοί αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης αποτελούν πλέον ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για την αποκωδικοποίηση Forward Error Correction κωδικοποιήσεων με χρήση συνελικτικών κωδικών, προσδίδοντας στα συστήματα αποδόσεις κοντά στο όριο του Shannon. Τέλος, πραγματοποιούνται κατάλληλες υλοποιήσεις που προέκυψαν από το συνδυασμό των εν λόγω αλγορίθμων επαναληπτικής αποκωδικοποίησης με τους χωροχρονικούς κώδικες ανά μπλοκ πάνω σε ένα σύστημα κεραιών με χρήση OFDM. Γίνεται σύγκριση της απόδοσης των συστημάτων αυτών με βάση την αντίστοιχη υλοποίηση του εκάστοτε αλγορίθμου επαναληπτικής αποκωδικοποίησης και μελετούνται σε βάθος διάφορες τροποποιήσεις που μπορούν δεχθούν με κριτήριο τη χαμηλή πολυπλοκότητα υλοποίησης. Για την αξιολόγηση της απόδοσης, γίνεται μία περαιτέρω σύγκριση με χρήση αναπαράστασης σταθερής υποδιαστολής και εξάγονται σειρά συμπερασμάτων από τις πειραματικές μετρήσεις που προέκυψαν. / The use of multiple antennas is an essential issue in telecommunications, nowadays. So, multiple input – multiple output systems (MIMO) has attracted a lot of attention in wireless research. Lately, it has been shown that it can be an improvement in the capacity of wireless communication systems by using antenna diversity, that’s different independent channels between transmitter and receiver. In this thesis, we study coding techniques that exploit space diversity by using space – time codes. Particularly, we focus on space – time block coding (STBC) from the transmitter’s point of view, because of the simplicity of its implementation and the ability to support multiple antennas at the base stations. The analysis is based on the systems that use Orthogonal Frequency Division Multiplexing Systems (OFDM). This technique was chosen because it can support high data rates and it behaves very well in a frequency selective fading channel. Moreover, we study iterative decoding algorithms and we focus on a very well known algorithm, the Maximum A Posteriori (MAP). There, we analyze its steps and its modifications and improvements. The iterative decoding algorithms are a cornerstone on decoding Forward Error Correction codes, such as Convolutional codes, almost reaching the Shannon limit. Finally, there are different kinds of implementations using suitable iterative decoding algorithms in concatenation with space – time block coding with antennas and ODFM. We compare the performance of the corresponding systems and investigate the complexity trying to maintain it in a low level. For a thorough investigation, we also use fixed point arithmetic in these implementations.

Τα τελευταία χρόνια χαρακτηρίζονται από μια αλματώδη ανάπτυξη των προϊόντων και υπηρεσιών που βασίζονται στα δίκτυα ασύρματης επικοινωνίας, ενώ προκύπτουν σημαντικές ερευνητικές προκλήσεις. Τα συστήματα πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στο δέκτη, γνωστά και ως συστήματα MIMO (multi-input multi-output), καθώς και η τεχνολογία πολλαπλής προσπέλασης με χρήση κωδικών (code division multiple access, CDMA) αποτελούν δύο από τα βασικά μέτωπα ανάπτυξης των ασύρματων τηλεπικοινωνιών. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, ασχοληθήκαμε με την ανάπτυξη και μελέτη αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος για τα δύο παραπάνω συστήματα, όπως περιγράφεται αναλυτικά παρακάτω. Σχετικά με τα συστήματα MIMO, η πρωτοποριακή έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα Bell Labs γύρω στα 1996, όπου αναπτύχθηκε η αρχιτεκτονική BLAST (Bell Labs Layered Space-Time), απέδειξε ότι η χρήση πολλαπλών κεραιών μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων. Προκειμένου να αξιοποιηθούν οι παραπάνω δυνατότητες, απαιτείται η σχεδίαση σύνθετων δεκτών MIMO. Προς αυτήν την κατεύθυνση, έχει προταθεί ένας μεγάλος αριθμός μεθόδων ισοστάθμισης του καναλιού. Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές υποθέτουν ότι το ασύρματο κανάλι είναι: 1) χρονικά σταθερό, 2) συχνοτικά επίπεδο (δεν εισάγει διασυμβολική παρεμβολή), και κυρίως 3) ότι είναι γνωστό στο δέκτη. Δεδομένου ότι σε ευρυζωνικά συστήματα μονής φέρουσας οι παραπάνω υποθέσεις είναι δύσκολο να ικανοποιηθούν, στραφήκαμε προς τις προσαρμοστικές μεθόδους ισοστάθμισης. Συγκεκριμένα, αναπτύξαμε τρεις βασικούς αλγορίθμους. Ο πρώτος αλγόριθμος αποτελεί έναν προσαρμοστικό ισοσταθμιστή ανάδρασης αποφάσεων (decision feedback equalizer, DFE) για συχνοτικά επίπεδα κανάλια ΜΙΜΟ. Ο προτεινόμενος MIMO DFE ακολουθεί την αρχιτεκτονική BLAST, και ανανεώνεται με βάση τον αλγόριθμο αναδρομικών ελαχίστων τετραγώνων (RLS) τετραγωνικής ρίζας. Ο ισοσταθμιστής μπορεί να παρακολουθήσει ένα χρονικά μεταβαλλόμενο κανάλι, και, από όσο γνωρίζουμε, έχει τη χαμηλότερη πολυπλοκότητα από όλους τους δέκτες BLAST που έχουν προταθεί έως σήμερα. Ο δεύτερος αλγόριθμος αποτελεί την επέκταση του προηγούμενου σε συχνοτικά επιλεκτικά κανάλια. Μέσω κατάλληλης μοντελοποίησης του προβλήματος ισοστάθμισης, οδηγηθήκαμε σε έναν αποδοτικό DFE για ευρυζωνικά κανάλια MIMO. Τότε, η διαδικασία της ισοστάθμισης εμφανίζει προβλήματα αριθμητικής ευστάθειας, που λόγω της υλοποίησης RLS τετραγωνικής ρίζας αντιμετωπίστηκαν επιτυχώς. Κινούμενοι προς την κατεύθυνση περαιτέρω μείωσης της πολυπλοκότητας, προτείναμε έναν προσαρμοστικό MIMO DFE που ανανεώνεται με βάση τον αλγόριθμο ελαχίστων μέσων τετραγώνων (LMS) υλοποιημένο εξ ολοκλήρου στο πεδίο της συχνότητας. Με χρήση του ταχύ μετασχηματισμού Fourier (FFT), μειώνεται η απαιτούμενη πολυπλοκότητα. Παράλληλα, η μετάβαση στο πεδίο των συχνοτήτων έχει ως αποτέλεσμα την προσεγγιστική διαγωνοποίηση του συστήματος, προσφέροντας ανεξάρτητη ανανέωση των φίλτρων ανά συχνοτική συνιστώσα και επιτάχυνση της σύγκλισης του αλγορίθμου. Ο προτεινόμενος ισοσταθμιστής πετυχαίνει μια καλή ανταλλαγή μεταξύ απόδοσης και πολυπλοκότητας. Παράλληλα με τα παραπάνω, ασχοληθήκαμε με την εκτίμηση του ασύρματου καναλιού σε ένα ασύγχρονο σύστημα CDMA. Το βασικό σενάριο είναι ότι ο σταθμός βάσης γνωρίζει ήδη τους ενεργούς χρήστες, και καλείται να εκτιμήσει τις παραμέτρους του καναλιού ανερχόμενης ζεύξης ενός νέου χρήστη που εισέρχεται στο σύστημα. Το πρόβλημα περιγράφεται από μια συνάρτηση ελαχίστων τετραγώνων, η οποία είναι γραμμική ως προς τα κέρδη του καναλιού, και μη γραμμική ως προς τις καθυστερήσεις του. Αποδείξαμε ότι το πρόβλημα έχει μια προσεγγιστικά διαχωρίσιμη μορφή, και προτείναμε μια επαναληπτική μέθοδο υπολογισμού των παραμέτρων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος δεν απαιτεί κάποια ειδική ακολουθία διάχυσης και λειτουργεί αποδοτικά ακόμη και για περιορισμένη ακολουθία εκπαίδευσης. Είναι εύρωστος στην παρεμβολή πολλαπλών χρηστών και περισσότερο ακριβής από μια υπάρχουσα μέθοδο εις βάρος μιας ασήμαντης αύξησης στην υπολογιστική πολυπλοκότητα. / Over the last decades, a dramatic progress in the products and services based on wireless communication networks has been observed, while, at the same time, new research challenges arise. The systems employing multiple antennas at the transmitter and the receiver, known as MIMO (multi-input multi-output) systems, as well as code division multiple access (CDMA) systems, are two of the main technologies employed for the evolution of wireless communications. During this PhD thesis, we worked on the design and analysis of signal processing algorithms for the two above systems, as it is described in detail next. Concerning the MIMO systems, the pioneering work performed at Bell Labs around 1996, where the BLAST (Bell Labs Layered Space-Time) architecture has been developed, proved that by using 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 has been proposed. However, most of these methods assume that the wireless channel is: 1) static, 2) frequency flat (no intersymbol interference is introduced), and mainly 3) it is perfectly known at the receiver. Provided that in high rate single carrier systems these assumptions are difficult to be met, we focused our attention on adaptive equalization methods. More specifically, three basic algorithms have been developed. The first algorithm is an adaptive decision feedback equalizer (DFE) for frequency flat MIMO channels. The proposed MIMO DFE implements the BLAST architecture, and it is updated by the recursive least squares (RLS) algorithm in its square root form. The new equalizer can track time varying channels, and, to the best of our knowledge, it has the lowest computational complexity among the BLAST receivers that have been proposed up to now. The second algorithm is an extension of the previous one to the frequency selective channel case. By proper modeling of the equalization problem, we arrived at an efficient DFE for wideband MIMO channels. In this case, the equalization process encounters numerical instability problems, which were successfully treated by the square root RLS implementation employed. To further reduce complexity, we proposed an adaptive MIMO DFE that is updated by the least mean square (LMS) algorithm, fully implemented in the frequency domain. By using the fast Fourier transform (FFT), the complexity required is considerably reduced. Moreover, the frequency domain implementation leads to an approximate decoupling of the equalization problem at each frequency bin. Thus, an independent update of the filters at each frequency bin allows for a faster convergence of the algorithm. The proposed equalizer offers a good performance - complexity tradeoff. Furthermore, we worked on channel estimation for an asynchronous CDMA system. The assumed scenario is that the base station has already acquired all the active users, while the uplink channel parameters of a new user entering the system should be estimated. The problem can be described via a least squares cost function, which is linear with respect to the channel gains, and non linear to its delays. We proved that the problem is approximately decoupled, and a new iterative parameter estimation method has been proposed. The suggested method does not require any specific pilot sequence and performs well even for a short training interval. It is robust to multiple access interference and more accurate compared to an existing method, at the expense of an insignificant increase in computational complexity.

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.