Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετώνται οι παρεμβολές σε σύγχρονα δίκτυα κινητών επικοινωνιών. Το πρώτο κεφάλαιο είναι η εισαγωγή της διπλωματικής εργασίας και αναφέρεται στο ασύρματο κανάλι και περιληπτικά στη διάδοση των κυμάτων σε αυτό. Στο δεύτερο κεφάλαιο, αναλύονται τα είδη των παρεμβολών κατά τη λήψη ενός σήματος που μεταδίδεται στο ασύρματο κανάλι και οι μηχανισμοί με τους οποίους διαδίδονται οι παρεμβολές. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στην εξασθένηση διάδοσης που υφίσταται ένα σήμα και αναλύονται οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας και οι διαλείψεις μικρής κλίμακας (επίπεδες ως προς τη συχνότητα και επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα). Στη συνέχεια, στο τρίτο κεφάλαιο, αναφέρονται οι στόχοι και τα γενικά χαρακτηριστικά ενός δικτύου UMTS, γίνεται μία επισκόπηση της τεχνολογίας CDMA και αναλύεται η διαχείριση των πόρων του ραδιο-δικτύου. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναφέρονται οι τύποι, οι στόχοι και οι διαδικασίες μεταπομπής (handover) σε 3ης γενιάς WCDMA συστήματα. Ιδιαιτέρως αναλύεται η ήπια μεταπομπή (soft handover), η οποία εισήχθη με την τεχνολογία CDMA και με βάση την οποία θα εξετάσουμε τις παρεμβολές και τη χωρητικότητα του συστήματος αναλύοντας την επίδρασή της σε αυτά. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται το μοντέλο του ραδιο-διαύλου, το σενάριο του συστήματος και οι υποθέσεις που χρησιμοποιούνται στην παρούσα διπλωματική εργασία. Έπειτα, αναλύονται οι παρεμβολές στην κατερχόμενη ζεύξη, αξιολογούνται οι συνέπειες του soft handover στις παρεμβολές στην κατερχόμενη ζεύξη και εκτιμάται η επίδοση του soft handover σε επίπεδο ζεύξης μελετώντας την επίδραση του soft handover στην κατανομή ισχύος για τα αφιερωμένα κανάλια της κατερχόμενης ζεύξης. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, αναλύεται η επίδοση του soft handover σε επίπεδο συστήματος χρησιμοποιώντας ως δείκτη αναφοράς το κέρδος στη χωρητικότητα (soft handover gain) της κατερχόμενης ζεύξης, η οποία έχει άμεση σχέση με τη στάθμη των παρεμβολών σε ένα σύστημα CDMA, που έχει περιοριστικό χαρακτήρα λόγω των παρεμβολών. / -

H υποστήριξη της τεχνολογίας των femtocells, σε περιβάλλον Long Term Evolution Advanced (LTE-A), δίνει ώθηση στο δυναμικό ερευνητικά πεδίο των ετερογενών δικτύων. Αν και προσφέρουν πολλαπλά πλεονεκτήματα, η συνύπαρξη ετερογενών σταθμών βάσεων δημιουργεί και μια σειρά τεχνικών προκλήσεων, με κυριότερη τη δημιουργία παρεμβολών που έχουν ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση των παρεχόμενων υπηρεσιών. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής παρουσιάζονται και αναλύονται μέθοδοι διαχείρισης ισχύος και κατανομής συχνοτήτων για την ακύρωση παρεμβολών, και αναπτύσσεται και προτείνεται ένα περιβάλλον προσομοίωσης ετερογενών LTE-A δικτύων. Ο προσομοιωτής επιτρέπει τη δημιουργία δισδιάστατης τοπολογίας με παράταξη femtocells πάνω από macrocell δίκτυο σε γραφικό περιβάλλον, την εξομοίωση των συνακόλουθων φαινομένων παρεμβολών και την πρόβλεψη και σύγκριση της απόδοσης του δικτύου μετά από την εφαρμογή διαφορετικών μοντέλων διαχείρισης ισχύος και σχημάτων κατανομής συχνοτήτων για την εξάλειψη των παρεμβολών. / Femtocells technology support, in Long Term Evolution Advanced (LTE-A) environments, promotes the dynamic research on the field of heterogeneous networks. While offering many advantages, the coexistence of heterogeneous base stations creates a number of technical challenges, the main of which is interference phenomena that lead to the degradation of service. In this work, we present and analyze methods of power management and frequency allocation for interference cancellation, and develop and propose a simulation environment for heterogeneous LTE-A networks. The simulator allows the creation of 2-D topologies with femtocells deployments over macrocell networks, the simulation of the resulting interference phenomena and the prediction and comparison of the network's performance after the application of different models of power management and frequency allocation schemes for interference cancellation.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη μελέτη τεχνικών αντιμετώπισης θορύβων και παρεμβολών σε αστικό περιβάλλον κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς. Ξεκινώντας γίνεται αναφορά στις κινητές επικοινωνίες, την ιστορική τους διαδρομή, από τα πρώτα τους βήματα τη δεκαετία του 1940 εως τη σημερινή 4η γενιά και τη ραγδαία άνθισή τους τις τελευταίες δεκαετίες. Περιγράφεται αναλυτικά η κυτταρική ιδέα ανάπτυξης των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, οι βασικές αρχές της και τα τεχνικά χαρακτηριστικά της καθώς και τα διεθνή πρότυπα από τα οποία ορίζεται. Ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή του συστήματος UMTS, το οποίο δίνει το στίγμα της κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας 3ης γενιάς, ενώ το τρίτο κεφάλαιο πραγματεύεται την ασύρματη μετάδοση σε ανοιχτό χώρο, τα μοντέλα διάδοσης και τους διάφορους παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν ένα ασύρματο κανάλι. Ο θόρυβος και οι παρεμβολές ορίζονται και περιγράφονται διεξοδικά στο τέταρτο κεφάλαιο.Στο πέμπτο κεφάλαιο αναπτύσσονται οι τεχνικές αντιμετώπισής τους και στη συνέχεια ακοιλουθεί η περιγραφή μιας συγκεκριμένης τοπολογίας. / The objective of this work is the study of the different reduction techniques for Noise and Interference in 3G cellular mobile telecommunication systems at an urban environment.First a reference is made in mobile communications, their historic journey and their rapid evolution in recent decades.An analytical specification of the cellular concept of development, the technical characteristics and the international standards is made.Follows the description of the umts,the wireless transmission in an environment, the diffusion model and factors that may affect a wireless channel.The noise and interference are defined and described.Chapter five describes the reduction methods,at chapter six a specific topology is described and at last there are some conclusions.

Κύριος στόχος της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η διερεύνηση τεχνικών βελτίωσης της προσφερόμενης ποιότητας υπηρεσιών (QoS) σε ένα περιβάλλον συνλειτουργίας πολλαπλών HAPs. Στο περιβάλλον αυτό έχουμε διαφορετικούς τύπους χρηστών που μοιράζονται την περιοχή κάλυψης και το εύρος ζώνης. Παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο της μελέτης αυτής που περιλαμβάνει τη θεωρία τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Αναπτύσσουμε ένα αναλυτικό μοντέλο ώστε να περιγράψουμε το περιβάλλον συνλειτουργίας στο οποίο έχουμε δύο κατηγορίες χρηστών. Η μία κατηγορία αποτελείται από χρήστες που έχουν πλήρη πρόσβαση στα HAPs, ενώ η άλλη κατηγορία αποτελείται από χρήστες με περιορισμένη πρόσβαση στα HAPs. Για να επιτύχουμε αυτή τη βελτίωση του QoS εφαρμόζουμε διάφορους μηχανισμούς περιορισμού. Σκοπός μας είναι να περιοριστεί η πρόσβαση στους πόρους του καναλιού για τους χρήστες με πλήρη πρόσβαση στα HAPs, ώστε να υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα πρόσβασης για τους χρήστες με περιορισμένη πρόσβαση στα HAPs. Παρουσιάζονται και αναλύονται διάφοροι περιορισμοί με στόχο την εύρεση του καταλληλότερου για την επίτευξη μιας ισορροπημένης και χαμηλής πιθανότητας απόρριψης κλήσης. Αναλύεται, επίσης, και επεξηγείται η παρουσία φαινομένων παρεμβολής και πολυόδευσης στο σύστημά μας καθώς και η εξοικονόμηση συχνοτήτων. / The main objective of this thesis is to investigate techniques for improvement the Quality of Service (QoS) in an environment of multiple HAPs. In this environment there are different user types which share coverage area and radio spectrum. It is presented the theoretical background of this study that includes theory telecommunication traffic. We develop an analytical model to describe system behavior of a coexistence scenario containing two user groups, which have full and limited HAP availability. In order to achieve this improvement of QoS, operate different restrictions. Our aim is to limit access to channel resources to users with full access to HAPs, so that there is a greater probability of access for users with limited access to HAPs. Different types of restriction function are analyzed trying to find the most suitable for achieving a balanced low probability performance to both user groups simultaneously. It is also explained the presence of interference, small-scale fading and saving frequencies.

Το πρόβλημα της μοντελοποίησης του ασύρματου διαύλου συνίσταται σε ένα ολοένα και αυξανόμενο πλήθος παραμέτρων και ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και να ενσωματώνονται στα πλαίσια του RF σχεδιασμού (Radio-Frequency planning) ενός ασύρματου δικτύου εύρωστης παροχής υπηρεσιών. Ο χαρακτηρισμός του ασύρματου καναλιού προϋποθέτει κάτι περισσότερο από μία ντετερμινιστική εξίσωση που υπολογίζει τις απώλειες οδεύσεως ελεύθερου χώρου συναρτήσει της απόστασης πομπού-δέκτη και της συχνότητας. Ένα αξιόπιστο μοντέλο απωλειών σε μία τέτοια περίπτωση απαιτεί τον συνυπολογισμό των απωλειών λόγω των διάφορων μηχανισμών διάδοσης και εξασθένησης της Η/Μ ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένων των απωλειών λόγω εμποδίων, αλλά και των φαινομένων σκίασης λόγω ανθρώπινης παρεμβολής. Η σημασία της συμβολής της διατριβής έγκειται στην συγκριτική αντιπαραβολή των βασικότερων μοντέλων απωλειών οδεύσεως και στην αριθμητική διόρθωση και επαναξιολόγηση του μοντέλου της ITU για ένα σύνολο τοπολογιών σύνθετης ράδιο-διάδοσης. Οι προτεινόμενες μας αλλαγές στο μοντέλο ITU αύξησαν σημαντικά την αξιοπιστία του όχι μόνο σε σχέση με την αρχική του απόδοση αλλά και συγκριτικά με τα υπόλοιπα μοντέλα. Επιπρόσθετα, υπολογίσαμε αναλυτικά για κάθε τοπολογία την εξασθένηση ανά απόσταση και προβήκαμε στην μοντελοποίηση της γεωγραφικής διασποράς της εξασθένησης ανά απόσταση με τρόπο που μπορεί να αποτελέσει το θεμέλιο ενός προγνωστικού εργαλείου για την παράμετρο αυτή. Επίσης, εξετάσαμε τις διαλείψεις μεγάλης κλίμακας και καταλήξαμε σε μία καινοτόμο μέθοδο για τον υπολογισμό του βάθους σκίασης απευθείας από τα εμπόδια της εκάστοτε τοπολογίας. Η μέθοδος αυτή προτάθηκε και ελέγχθηκε για την ακρίβειά της στα 2.4 GHz, αλλά μπορεί να εφαρμοστεί για κάθε συχνότητα ενδιαφέροντος εφόσον ακολουθηθούν οι διαδικασίες καταμέτρησης των απωλειών σκίασης των εμποδίων κάθε τύπου και πλήθους. Με τη μέθοδο αυτή μπορεί να υπολογιστεί και η εξασθένηση ανά απόσταση μέσω του βάθους σκίασης, συνεπώς είναι εφικτός ο χαρακτηρισμός της εξασθένησης εντός της τοπολογίας χωρίς την αναγκαιότητα πραγματοποίησης εκτεταμένων μετρήσεων. Επιπρόσθετα, εξετάσαμε πώς διαφορετικοί μηχανισμοί ράδιο-διάδοσης οδηγούν σε διαφορετική γεωγραφική διασπορά των τοπικών τιμών της λαμβανόμενης ισχύος. Τέλος, παρουσιάστηκε η λύση της Ασφάλειας Φυσικού Επιπέδου (Wireless Information-Theoretic Security, WITS) με διερεύνηση της επίδρασης των ρεαλιστικών απωλειών οδεύσεων ενός ασύρματου διαύλου με εμπόδια και διαλείψεις στα όρια των τιμών των παραμέτρων, ενώ επίσης εξετάστηκε για πρώτη φορά σε κλειστή μορφή η Αποκοπή Χωρητικότητας Ασφαλείας (Outage Secrecy Capacity). Μελετήσαμε την επίδραση της κινητικότητας των χρηστών στην αξιοπιστία της μεθόδου σε επίπεδο προσομοιώσεων αλλά και με πειραματικές μετρήσεις, αξιολογώντας ποσοτικά και ποιοτικά την επίδρασή τους στα όρια τιμών των παραμέτρων υπό την παρουσία ενός ωτακουστή, και εν συνεχεία σε καθεστώς πολλαπλών ωτακουστών, θεωρώντας μέθοδο συνεργασίας ωτακουστών SC και MRC. / Wireless Channel Modeling consists of an even more increasing number of factors and parameters that need to be accounted for, in the context of RF planning. Wireless Channel Characterization requires more than a deterministic formula for calculating free space path loss in relation to frequency and distance. A reliable path loss model needs to incorporate in its formula the various propagation mechanisms that influence signal attenuation, including losses due to obstacles and human body shadowing. The importance of our contribution lies in the comparative evaluation and validation of the most fundamental RF path loss models and in the numerical adjustment and re-evaluation of the ITU path loss model for a number of different complex propagation topologies. Our suggested correction to the ITU model has significantly increased its prediction precision compared not only to the initial ITU model but also to all other path loss models in question. In addition, we have calculated the attenuation over distance and modeled the distribution of the local mean values versus distance throughout each topology, in a way that can serve as the foundation of a prediction method for this parameter. The large-scale fading of the received signal has also been characterized and a new empirical method for the calculation of the shadow depth has been introduced. This method has been validated for the 2.4 GHz frequency, but it can be applied to any frequency of interest as long as the respective obstacle-caused losses are measured. Extending this method can be applied in order to calculate the attenuation over distance as a function of shadow depth, therefore allowing us to predict this parameter without extensive measurements. The impact of different propagation mechanisms on the variation of distribution of local mean values of received signal power throughout the topology has also been studied. Finally, the concept of Wireless Information-Theoretic Security (WITS) was discussed, by investigating the impact of channel-dependent variation of path loss on the boundaries of secure communications as defined by WITS parameters, whereas a closed-form expression for Outage Secrecy Capacity was introduced. The impact of user mobility on the range of these parameters was investigated in terms of simulations and experimental measurements, in the presence of a single eavesdropper and also for a multiple eavesdroppers scenario, assuming SC and MRC schemes.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνονται τεχνικές για την βελτιστοποίηση της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών στους χρήστες σύγχρονων ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που ως τεχνολογίες πρόσβασης έχουν την πολλαπλή πρόσβαση ορθογωνικής διαίρεσης συχνότητας και την πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης κώδικα. Οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν αφορούν επαναληπτικούς αλγόριθμους κατανομής των διαθέσιμων ραδιοπόρων και εφαρμόζοναι κυρίως στην κατερχόμενη των ασύρματων συστημάτων. Ως παράμετροι της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών θεωρούνται: το ελάχιστο απαιτούμενο επίπεδο ρυθμού μετάδοσης των δεδομέων, ο ρυθμός των λανθασμέων bit, και η ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα ραδιοπόρων σε κάθε χρήστη. Η αξιολόγηση των τεχνικών που προτείνονται γίνεται μέσω δεικτών της απόδοσής τους, οι οποίοι είναι: η πιθανότητα παραβίασης της ποιότητας της υπηρεσίας, ο δείκτης δικαιοσύνης του συστήματος, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων στα άκρα της κυψέλης και η χωρητικότητα της κυψέλης. Για την εξαγωγή των δεικτών αυτών είναι απαραίτητα στατιστικά δεδομένα, τα οποία συλλέγονται μέσα από μεγάλο αριθμό προσομοιώσεων. / This doctoral thesis proposes QoS optimization techniques in modern wireless telecommunication systems, whereby orthogonal frequency division multiple access and code division are used. The proposed techniques are iterative resource allocation algorithms which are mainly suitable for the downlink of wireless networks. The minimum required level of data rate, the bit error rate and the minimum number of resources per user are considered as quality of service parameters. The validation of the proposed techniques is done through the performance of performance metrics like the : the quality of service violation probability, the system fairness index, the cell-edge data rate and the cell capacity. Statistical data are required which are collected through extensive simulation