Les communications à courant porteur en ligne (CPL) permettent de transmettre des données haut débit en utilisant le réseau électrique comme support de transmission. Cependant la complexité et la diversité des topologies, la diversité des appareils électriques domestiques connectés sur le réseau et les perturbations électromagnétiques peuvent limiter les performances de cette technologie. Ce mémoire a pour objectif d’analyser les caractéristiques du réseau et les performances d’une liaison CPL large bande et de souligner les topologies et charges du réseau qui dégradent les performances de la liaison CPL. La démarche scientifique consiste tout d’abord à caractériser le canal de transmission principalement en termes de gain d’insertion, puis à caractériser les performances de la liaison en termes de capacité, afin de dégager les caractéristiques de topologie ayant une influence prépondérante sur la liaison. Cette caractérisation se décompose en deux parties. Une première partie expérimentale étudie l’impact de la charge du réseau et du réseau de distribution avec un réseau test. Une seconde partie théorique souligne l’influence de la topologie et des impédances de charges domestiques à l’aide d’un outil de simulation basé sur la théorie des lignes multifilaires liée à la topologie électromagnétique. Deux modes de transmission sont étudiés ; une liaison SISO (Single Input Single Output), où le modem d’émission/réception est relié au réseau via un couplage capacitif entre la phase et le neutre et une transmission MIMO (Multiple Input Multiple Output) pour laquelle les signaux sont émis/reçus simultanément sur deux paires, entre phase et neutre et entre terre et neutre. / Powerline communication (PLC) is used to transmit high-speed data using power network as a transmission medium. However the complexity and diversity of electrical network topologies, the diversity of domestic electrical appliances connected to the network and the electromagnetic disturbances can limit the performance of this technology. The purpose of this thesis is to analyze the network characteristics and the performance of a broadband PLC link and also to highlight network topologies and loads that affect the performance of a PLC communication. The scientific approach consists firstly in characterizing the transmission channel in terms of insertion gain and then in characterizing the performance of the PLC link in terms of Shannon's capacity, in order to identify the topology characteristics that mainly influence the communication. This characterization is divided into two parts. A first experimental part studies the impact of the load and of the architecture of the electrical distribution network. A second theoretical part emphasizes on the influence of the topology and the impedances of domestic loads using a simulation tool based on the multiwire transmission line theory and the electromagnetic topology. Two transmissions are studied; a SISO (Single Input Single Output) link with the PLC transmitter and receiver connected to the network via capacitive coupling between phase and neutral, and a MIMO (Multiple Input Multiple Output) link where signals are transmitted / received between two pairs of wires : phase-neutral and earth-neutral.

Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να εξετασθεί πως μπορεί να πραγματοποιηθεί η μεταφορά δεδομένων μέσω των γραμμών ρεύματος, ποιοι είναι οι ανασταλτικοί παράγοντες σε αυτή τη διαδικασία, με ποιους τρόπους μπορεί να εξασφαλίσουμε όσο το δυνατόν λιγότερα σφάλματα και πως μπορεί να υλοποιηθεί αυτό στην πράξη. Για τα παραπάνω θα γίνουν προσομοιώσεις με βάση πειραματικά δεδομένα που έχουν δημοσιευτεί, αλλά όχι δικά μας πειράματα σε πραγματικές γραμμές. Λόγω της χαμηλής ποιότητας της μεταφοράς αυτής προτείνεται και μια μέθοδος η οποία προσαρμόζεται στις συνθήκες του εκάστοτε καναλιού και ελαχιστοποιεί τα προβλήματα αυτού. Αρχικά αναλύονται και περιγράφονται τα διάφορα μοντέλα που έχουν προταθεί για την περιγραφή ενός συστήματος PLC. Στη συνέχεια, εξετάζεται ο τρόπος μετάδοσης που θα χρησιμοποιηθεί, δηλαδή τα OFDM, καθώς και διάφορες κωδικοποιήσεις και διαμορφώσεις που χρησιμοποιούνται. Κατόπιν, με χρήση των δύο παραπάνω, δηλαδή του μοντέλου του καναλιού και του τρόπου μετάδοσης, προχωράμε σε μια προσομοίωση του όλου συστήματος για να εξετάσουμε τα πιθανά σφάλματα και να κάνουμε τις απαραίτητες βελτιώσεις. Στις προσομοιώσεις αυτές θέλουμε να υπάρχουν λίγα σφάλματα αλλά υψηλή ταχύτητα μετάδοσης. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αυτών δεν είναι ικανοποιητικά για εμάς, οπότε προτείνουμε έναν τρόπο βελτίωσης του τελικού αποτελέσματος, ο οποίος βασίζεται στην αναγνώριση του καναλιού από το οποίο γίνεται η μετάδοση ώστε να μηδενιστεί το σφάλμα. Με χρήση αυτής της αναγνώρισης του καναλιού, έχουμε πολύ καλά αποτελέσματα, αφού μόνο σε περιπτώσεις πολύ υψηλού θορύβου έχουμε μεγάλο σφάλμα. Όταν ο θόρυβος πέφτει σε φυσιολογικά επίπεδα τότε το σφάλμα είναι σχεδόν μηδενικό, όποτε μπορεί να θεωρηθεί ότι η μετάδοση γίνεται σωστά. Τελικά προσομοιώνουμε ένα σύστημα το οποίο μεταδίδει στο φάσμα 5-15MHz ενώ τα δεδομένα μας αποστέλλονται με ταχύτητα 64Mbps. / The purpose of this project is to test the power line channel as a communication channel. We test deifferent models of the channel and simulate the data transfer. Finally we get good results as we use a channel estimation to improve the transfer quality. The tranfer is at the band of 5-15MHz, with 64Mbps.

Η έρευνα στις ασύρματες τηλεπικοινωνίες κινείται προς την κατεύθυνση της επίτευξης υψηλής κινητικότητας και ταυτόχρονα προς τη μεγιστοποίηση των δυνατοτήτων του ραδιοδιαύλου, όσον αφορά τη χωρητικότητα της γραμμής και την ταυτόχρονη εξυπηρέτηση μεγάλου αριθμού χρηστών. Στόχος είναι η υποστήριξη IMT-Advanced (4G) ταχυτήτων της τάξης των 100 Μbps στην κάτω ζεύξη και 50 Μbps στη άνω με τη μέση φασματική απόδοση να είναι 3 με 4 φορές καλύτερη από την αντίστοιχη του HSPA. Για να επιτευχθούν τόσο οι υψηλές ταχύτητες όσο και η φασματική αποδοτικότητα σε συνδυασμό με την καλή κινητικότητα, πρέπει όπως δείχνει η έρευνα σήμερα, στο φυσικό στρώμα μετάδοσης να εφαρμοστούν τεχνικές OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Πολλαπλή Πρόσβαση με Ορθογωνική Διαίρεση Συχνότητας) σε MIMO ή MISO συστήματα, όπως αντίστοιχα συμβαίνει στο WiMAX. Για αυτόν το λόγο στην παρούσα διπλωματική προτείνονται 3 αλγόριθμοι κατανομής των ραδιοπόρων για την κάτερχόμενη ζεύξη των MISO OFDMA. Οι δυο πρώτοι αλγόριθμοι σκοπεύουν τη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών κάτω από τους περιορισμούς στη συνολική διαθέσιμη ισχύ του σταθμού βάσης και την αναλογική δικαιοσύνη μεταξύ των ρυθμών μεταδόσεως δεδομένων των χρηστών. Ο τρίτος αλγόριθμος αντί για τον περιορισμό της αναλογικής δικαιοσύνης εφαρμόζει τον περιορισμό στον ελάχιστο ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων κάθε χρήστη. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι βασίζονται στο σχηματισμό δέσμης ZF ενώ στο δεύτερο αλγόριθμο χρησιμοποιείται και η χωρική συσχέτιση. Παρ’όλο που και οι τρεις αλγόριθμοι είναι υποβέλτιστοι, η απώλεια σε συνολικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων είναι λογική εφόσον πρωταρχικός σκοπός αποτελεί η εξασφάλιση της δικαιοσύνης. Και οι τρεις προτεινόμενοι αλγόριθμοι εν τέλει παρουσιάζουν ικανοποιητική πολυπλοκότητα ώστε η υλοποίηση να είναι δυνατή με χαμηλό κόστος επεξεργασίας. Μπορούν λοιπόν κάλλιστα οι αλγόριθμοι που μελετήθηκαν να χρησιμοποιηθούν στα σύγχρονα ασύρματα συστήματα όπως το πρότυπο WiMAX. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι εξομοιώθηκαν χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB®. Πιο συγκεκριμένα το κεφάλαιο ένα αποτελεί την εισαγωγή της διπλωματικής εργασίας. Αναφέρεται στο σκοπό της όσο και στις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν για την επίτευξή του. Στο κεφάλαιο δύο γίνεται αναφορά στα ασύρματα συστήματα πολλαπλής πρόσβασης, τα οποία διαχωρίζονται σε σταθερά και κινητά συστήματα επικοινωνιών. Περιγράφονται συστήματα όπως τa 3G και Wi-Fi ενώ στη συνέχεια γίνεται ιστορική αναφορά στην εξέλιξη του WiMAX και μια μικρή παρουσίασή του. Τέλος, γίνεται μια μικρή αναφορά στον ασύρματο ευρυζωνικό δίαυλο. Στο κεφάλαιο τρία παρουσιάζονται θεωρητικά στοιχεία για τα OFDM και OFDMA και παρουσιάζονται οι μαθηματικές εκφράσεις του προβλήματος διαχείρισης των ραδιοπόρων σε αυτά. Επιπλέον, γίνεται αναφορά στους αλγόριθμους διαχείρισης ραδιοπόρων και μια εισαγωγή στο μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε. Το κεφάλαιο τέσσερα περιέχει εκτενή αναφορά στα ασύρματα κανάλια και ιδιαίτερα στα MIMO και στη χωρητικότητά τους. Το κεφάλαιο πέντε περιλαμβάνει τους αλγόριθμους που προτάθηκαν και μελετήθηκαν και ολοκληρώνεται με τα συμπεράσματα από τη διαδικασία εξομοίωσης. Στο κεφάλαιο έξι περιλαμβάνονται τα επιμέρους συμπεράσματα που έχουν εξαχθεί από κάθε κεφάλαιο. / Present research in wireless telecommunications is targeted on achieving high mobility and maximizing the potentials of the radio bus in the same time, concerning line’s capacity and simultaneusly serving a major number of users. The aim is supporting IMT-Advanced (4G) speeds; 100 Μbps download and 50 Μbps upload, with an average spectrum performance three to four times better than HSPA’s. In order to achieve such high speeds, as well as spectrum efficiency, in combination with a fair mobility, it is almost essential as shown in present global research, to apply OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) technics in the physical layer of MIMO or MISO systems, as applied in WiMAX. Thus, in this dissertation, three algorithms for the radio resource allocation problem of the downlink of MISO-OFDMA are proposed. The first two algorithms are aiming at maximizing the sum user’s data rate under restrictions in total available base station’s power and proportional fairness data rate constraints among users. The third algorithm applies constraints of the minimum data rate of each user instead of proportional rate constraints. The proposed algorithms are based on forming a ZF beam, while in the second algorithm space correlation is used. Although all three algorithms are suboptimal, the loss in total data rate is reasonable, since the primary target is maintaining fair justice among users. All three proposed algorithms have fairly low complexity so they could be applied easily with low calculation cost. Therefore, the investigated algorithms could be applied in modern wireless systems such as WiMAX. These algorithms are assessed by simulation using MATLAB® software. Specifically, chapter one includes the introduction of this dissertation. It is referred to its purpose as well as to the methods applied in. In chapter two there is a brief description in modern wireless telecommunication systems. Systems like 3G and Wi-Fi are presented along with a brief history of WiMAX and its characteristics. In the end of this chapter problems concerning wireless broadband bus are presented. In chapter three theoretical elements on OFDM and OFDMA are analysed along with the mathematical expression of the radio resource allocation problem in OFDMA. Moreover an introduction of a mathematical model is included. Chapter four focuses on detail on the mathematical description of the MIMO-MISO line capacity. In chapter five the three proposed algorithms on the downlink of MISO - OFDMA are presented. It concludes with the simulation results accompanied with some comments and conclusions. In chapter six all the conclusions of this dissertation, chapter by chapter are included in brief.

Η ανάγκη για αποτελεσματικότερη και αποδοτικότερη οικονομικά μετάδοση των RF σημάτων, αυξάνεται με την ταυτόχρονη αύξηση των ασύρματων τηλεπικοινωνιών. Μια από τις τεχνολογίες που μπορεί να προσφέρει αυτά είναι η τεχνολογία Radio Over Fiber (τεχνολογία μετάδοσης ραδιοσημάτων μέσω οπτικής ίνας). Η τεχνολογία αυτή έχει πλεονεκτήματα όπως το μεγάλο εύρος ζώνης, την χαμηλή κατανάλωση ισχύος, την εύκολη εγκατάσταση και τον φθηνό εξοπλισμό των μερών της, κάνοντας την ελκυστική για πολλά τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Μια από τις τεχνικές διαμόρφωσης που ώθησαν την ανάπτυξη των ασύρματων τηλεπικοινωνιών είναι η OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – Ορθογωνική Πολυπλεξία με διαίρεση συχνότητας). Η OFDM είναι μια τεχνική διαμόρφωσης ευρείας ζώνης για ασύρματες επικοινωνίες η οποία εξασφαλίζει αυξανόμενη δυναμική κατά της παραμόρφωσης λόγω συχνοτήτων και λόγω παρεμβολής και είναι αποτελεσματική ως προς το πρόβλημα των πολυοδεύσεων. Ακολουθώντας την ανάπτυξη των συστημάτων των οπτικών επικοινωνιών ο σχεδιασμός ημιαγωγικών λέιζερ, πέρασε από αρκετά στάδια, όπως είναι οι κοιλότητες Fabry–Perot που χαρακτηρίζονται από ένα ευρύ φάσμα εξόδου σε ένα νέο λείζερ με επιλεκτικό διάφραγμα για το μήκος κύματος. Αυτό είναι το DFB λέιζερ. Ένα μοντέλου τέτοιου λέιζερ χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία για τις προσομοιώσεις, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στο περιβάλλον MATLAB-SIMULINK. Με βάση τις διαφορικές εξισώσεις του λέιζερ έγιναν μια σειρά αρχικών προσομοιώσεων με απλά σήματα (τριγωνικό σήμα, ημιτονικό σήμα, άθροισμα ημιτονικών σημάτων) που επέτρεψαν την μελέτη των χαρακτηριστικών του λέιζερ, όπως η δυναμική, το φαινόμενο υστέρησης, το ρεύμα διέγερσης, το εύρος λειτουργίας κ.τ.λ. Στην συνέχεια μελετάται η συμπεριφορά του οπτικού συστήματος σε διάφορα σχήματα αναλογικών διαμορφώσεων όπως AM-DSB, AM-DSBSC, FM. Στην συνέχεια προσομοιώνονται, σχολιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα σε ευρυζωνικές διαμορφώσεις (QAM-OFDM). Το λέιζερ διαμορφώνεται με την μέθοδο της άμεσης διαμόρφωσης. Η οπτική ίνα και ο φωρατής για την απευθείας ανίχνευση σήματος του δέκτη, θεωρούνται ιδανικά. / -

Η τεράστια τεχνολογική ανάπτυξη που χαρακτηρίζει την εποχή µας και το πλήθος των εφαρµογών που αυτή συνεπάγεται ορίζει επιτακτική την ψηφιακή µετάδοση δεδοµένων σε µεγάλες αποστάσεις και µε εγκυρότητα. Οι απαιτήσεις αυτές οδήγησαν στην ανάπτυξη της τεχνικής OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing), µίας από της καλύτερες τεχνικές πολυπλεξίας. Θέµα της διπλωµατικής µου εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός πολυκαναλικού ποµπού (OFDM transmitter) για γραµµές χαµηλής τάσης εντός κτηρίου. Συγκεκριµένα στο πρώτο µέρος της εργασίας παρουσιάζεται η θεωρητική βάση στην οποία στηρίζεται η σχεδίαση και υλοποίηση του ποµπού. ∆ίνεται έµφαση στην επεξήγηση της έννοιας «πολυκαναλικό» καθώς επίσης και γιατί ένας τέτοιου είδους ποµπός θα είναι χρήσιµος ως µέρος ενός ποµποδέκτη για µεταφορά δεδοµένων εντός κτηρίου. Στη συνέχεια της εργασίας παρουσιάζεται βήµα προς βήµα η σχεδίαση και ανάπτυξη του µοντέλου προσοµοίωσης του πολυκαναλικού ποµπού µε χρήση του εργαλείου Matlab/Simulink. Αρχικά παρουσιάζονται οι διάφοροι παράµετροι του ποµπού όπως ο αριθµός των υποκαναλιών του συστήµατος, ο µέγιστος αριθµός των bit που θα µεταδίδει κάθε υποκανάλι και η διαµόρφωση που θα εφαρµόζεται σε κάθε υποκανάλι. Στη συνέχεια παρουσιάζεται σχηµατικά η διαδικασία δηµιουργίας διαµορφωµένων συµβόλων και η δειγµατοληψία αυτών µε σκοπό τη δηµιουργία δειγµάτων προς µετάδοση. Το συγκεκριµένο µοντέλο περιλαµβάνει όλες τις απαραίτητες λειτουργίες που απαιτούνται για τη δηµιουργία, κωδικοποίηση και µεταφορά δεδοµένων σύµφωνα µε την OFDM τεχνική, λαµβάνοντας υπόψην τα χρονικώς µεταβαλλόµενα χαρακτηριστικά του καναλιού µετάδοσης. Επί πλέον, δίνεται πλήρης επεξήγηση για τον σχεδιασµό κάθε υποσυστήµατος που χρησιµοποιήθηκε για την ολοκλήρωση του µοντέλου. Η παρουσίαση ολοκληρώνεται µε την παράθεση και επεξήγηση των αποτελεσµάτων των προσοµοιώσεων τα οποία επιβεβαιώνουν την ορθότητα λειτουργίας του συστήµατος που υλοποιήθηκε. / -

Το αντικείμενο της παρούσης διατριβής είναι η μοντελοποίηση με χρήση στοχαστικών διαδικασιών, ασυρμάτων μη επιλεκτικών στη συχνότητα καναλιών με διαλείψεις (frequency non-selective fading channels). Η γνώση και μοντελοποίηση των χρονικών μεταβολών των ασυρμάτων καναλιών είναι αναγκαία για ένα πλήθος σύγχρονων εφαρμογών όπως μεταξύ άλλων η εκτίμηση της ταχύτητας κίνησης της φορητής συσκευής, μεταγωγή (handoff), δυναμική καταχώρηση συχνοτήτων και ο δυναμικός έλεγχος της ισχύος εκπομπής της φορητής μονάδας. Επίσης, βασιζόμενοι σε στοχαστικά μοντέλα, μπορούν να εκτιμηθούν διάφορα μεγέθη των καναλιών, όπως η μέση χρονική διάρκεια των ριπών σφαλμάτων (error bursts) και η απόδοση των χρησιμοποιουμένων πρωτοκόλλων επικοινωνίας. Στην παρούσα διατριβή μελετώνται μη επιλεκτικά στη συχνότητα κανάλια με διαλείψεις για κινητές συσκευές λήψης (mobile fading channels) και στατικά κανάλια με διαλείψεις (fixed wireless fading channels). Στην πρώτη περίπτωση διερευνάται το πρόβλημα του στατικού πομπού με κινούμενο δέκτη, ενώ στη δεύτερη περίπτωση διερευνάται το πρόβλημα όπου η κατάσταση τόσο του πομπού όσο και του δέκτη είναι στατική. Στα μη επιλεκτικά στη συχνότητα κανάλια των κινητών συσκευών, οι χρονικές μεταβολές συμβαίνουν λόγω της ταυτόχρονης άφιξης πολυοδευουσών συνιστωσών (multipath components) στον κινητό δέκτη. Οι συνιστώσες αυτές έχουν τυχαία φάση, συνεπώς προκαλούν στο λαμβανόμενο σήμα ταχείες αυξομειώσεις, λόγω του ότι μπορούν να υπερτίθενται με τυχαίο τρόπο. Με τη σειρά τους, οι πολυοδεύουσες συνιστώσες μπορούν να καταφθάνουν στον κινητό δέκτη διαδιδόμενες σε δυο ή τρεις διαστάσεις. Το τελευταίο εξαρτάται από το αν καταφθάνουν υπό κάποια γωνία ανύψωσης σε σχέση με το επίπεδο κίνησης του δέκτη . Οι χρονικές μεταβολές του λαμβανόμενου σήματος επηρεάζονται επίσης από το φαινόμενο της σκίασης (shadowing ή shadow fading), το οποίο έχει ως αποτέλεσμα η μέση τιμή αυτού να παίρνει τυχαίες τιμές σε κάθε τοπική περιοχή (local area). Η σκίαση είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των πολυοδευουσών συνιστωσών με υψηλά κτήρια και εμπόδια, ώστε μέρος της ισχύος να μη φθάνει στον κινητό δέκτη. Στα στατικά μη επιλεκτικά στη συχνότητα κανάλια, οι τυχαίες φάσεις των πολυοδευουσών συνιστωσών και κατά συνέπεια οι χρονικές μεταβολές του λαμβανομένου σήματος είναι αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης αυτών των συνιστωσών με τα κινούμενα αντικείμενα / σκεδαστές του καναλιού. Η γνώση των βασικών στοχαστικών διαδικασιών που χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση του λαμβανόμενου σήματος σε ασύρματα κανάλια κρίνεται απαραίτητη. Κατάλληλες τροποποιήσεις και επεξεργασία αυτών των διαδικασιών οδήγησαν στα περισσότερα εκ των αποτελεσμάτων της παρούσης διατριβής. Αυτές οι διαδικασίες είναι το εκτεταμένο μοντέλο Suzuki (extended Suzuki model) και το μοντέλο του Loo (Loo model). Η πρώτη διαδικασία προκύπτει από το πολλαπλασιασμό μιας διαδικασίας Rice και μιας κανονικής λογαριθμικής (lognormal) διαδικασίας (μοντέλο Rice-lognormal). Η δεύτερη διαδικασία προκύπτει ως το μέτρο της πρόσθεσης δυο διανυσμάτων, όπου το πλάτος του ενός ακολουθεί την κατανομή Rayleigh, ενώ το πλάτος του άλλου ακολουθεί την κατανομή lognormal. Οι διαδικασίες αυτές ανήκουν στην κατηγορία των σύνθετων στοχαστικών (composite stochastic), αφού μοντελοποιούν ταυτόχρονα την επίδραση της σκίασης και της πολυόδευσης σε μη επιλεκτικά στη συχνότητα κανάλια κινητών συσκευών λήψης. Όσο αφορά τα στατικά ασύρματα κανάλια, οι χρονικές μεταβολές τους καθορίζονται κάνοντας χρήση μιας κατάλληλης διαδικασίας Rice. Η δημιουργία ενός καινούργιου στοχαστικού μοντέλου για κανάλια κινητών συσκευών με διαλείψεις ήταν το ένα από τα αποτελέσματα της παρούσης διατριβής. Συγκεκριμένα, προέκυψε μια νέα σύνθετη στοχαστική διαδικασία, η οποία ανήκει στην κατηγορία των μοντέλων τύπου Suzuki και προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό μιας διαδικασίας Weibull και μια κανονικής λογαριθμικής (lognormal) διαδικασίας (μοντέλο Weibull-lognormal). Το σύνθετο μοντέλο Weibull-lognormal παρουσιάζεται στην απλή του μορφή με δυσδιάστατη ισοτροπική σκέδαση (two dimensional-2D isotropic scattering) και σε μια τροποποιημένη εκδοχή με δυσδιάστατη ανισοτροπική σκέδαση (anisotropic scattering). Στη συνέχεια, η εισαγωγή τρισδιάστατης (three dimensional-3D) ανισοτροπικής σκέδασης στο εκτεταμένο μοντέλο Suzuki και στο μοντέλο του Loo επέτρεψε να καθοριστεί με ακρίβεια η επίδραση αυτής στις χρονικές μεταβολές μη επιλεκτικών στη συχνότητα καναλιών για κινητές συσκευές λήψης. Η τρισδιάστατη σκέδαση μοντελοποιήθηκε θεωρώντας κατάλληλες κατανομές των γωνιών άφιξης (angle of arrival-AOA) των πολυοδευουσών συνιστωσών, τόσο στο αζιμούθιο επίπεδο (azimuth plane) κίνησης του δέκτη, όσο και στο κάθετο επίπεδο ανύψωσης (elevation plane). Τέλος, μελετήθηκε το στατικό μη επιλεκτικό στη συχνότητα ασύρματο κανάλι. Πιο συγκεκριμένα, η κινητικότητα των σκεδαστών σε αυτά τα κανάλια μοντελοποιήθηκε κατάλληλα μέσω τριών κατανομών πιθανότητας για τις ταχύτητες των σκεδαστών. Στη συνέχεια, η κινητικότητα των σκεδαστών συνδέθηκε με αναλυτικό τρόπο με τις χρονικές μεταβολές αυτών των καναλιών. / The topic of this thesis is to study frequency non-selective wireless fading channels using stochastic processes. Knowledge and modeling of wireless channel time variations is essential for a variety of modern applications such as estimation of the mobile receiver velocity, handoff, dynamic frequency allocation, power control of the mobile unit emitted power and so on. Moreover, based on stochastic models, we are able to estimate several channel metrics such as average time duration of error bursts and the performance of the utilized communication protocols. This thesis studies frequency non-selective mobile fading channels and fixed wireless channels. The former have static transmitter and mobile receiver, while the latter have both static transmitter and receiver. In mobile channels, time variations (fades) occur due to the simultaneous arrival of multipath components at the mobile receiver. Those components have random phases, thus they cause in the received signal rapid fluctuations as they are added randomly. In turn, the multipath components can arrive at the mobile receiver via a two or a three dimensional propagation scenario. Time variations are also affected by the shadowing effect, which causes variations to the received signal local mean. Shadowing results from the interaction of multipath components with tall buildings and obstacles such that a part of the power does not arrive at the mobile receiver. In frequency non-selective fixed wireless channels, the random phases of the multipath components and consequently the time variations arise from the interaction of those components with the channel mobile objects/scatterers. Τhe knowledge of the main stochastic processes used to model the received signal in wireless channels is necessary. Most of the results in this thesis were derived by appropriate modifications and further development of those processes, which are the extended Suzuki model and the Loo model. The former arises by multiplying a Rice and a lognormal process. The latter arises as the amplitude of the sum of a Rayleigh and a lognormal phasor vector. Both processes belong to the category of composite stochastic as they simultaneously model the influence of shadowing and multipath propagation in frequency non-selective mobile channels. As for the fixed wireless channels, the time variations of them are determined through a suitable Rice process. The creation of a novel stochastic model for mobile fading channels was one achievement of this thesis. Α new stochastic process pertaining to the Suzuki class of models was derived, which arises by multiplying a Weibull and a lognormal process (Weibull-lognormal model). The composite Weibull-lognormal model is presented in its simple form with two dimensional (2D) isotropic scattering and in a modified version with two dimensional anisotropic scattering. Afterwards, the utilization of three dimensional (3D) anisotropic scattering in the extended Suzuki and Loo models allowed us to accurately determine the impact of three dimensional scattering on the time variations of frequency non-selective mobile channels. Three dimensional scattering was modeled by considering suitable distributions for the multipath angle of arrival (AOA) at both the azimuth receiver’s plane and the vertical elevation plane. Finally, the narrowband fixed wireless channel was studied. More specifically, the scatterers’ mobility at fixed wireless channels was appropriately modeled via three probability distributions for the scatterers’ velocities. Afterwards, the scatterers’ mobility was analytically connected with the time variations of those channels.

Cette thèse résume trois années de travail dans le domaine de la caractérisation large bande du canal radio pour des applications projectiles. L’instrumentation des projectiles évolue avec la miniaturisation de l’électronique et l’accroissement constant de ses performances. L’échange de données par liaison sans fil bi-directionnelle entre le projectile et lastation de base doit s’effectuer aussi efficacement que possible. Afin de répondre à cette exigence, il est fondamental d’optimiser chaque élément de la chaîne de communication. Le canal, qui est le support où la propagation des ondes radio prend place, est l’un des éléments à modéliser.Dans le but de caractériser le canal radio pour ces applications, cette thèse a été structurée en cinq chapitres: dans les premier et deuxième chapitres, le contexte général de la thèse est présenté, introduisant le cadre de la thèse et donnant les éléments nécessaires pour comprendre le reste du manuscrit. Au chapitre trois, nous abordons le problème du développement des briques nécessaires pour caractériser le canal de propagation. Une des contributions de cette thèse est la définition d’un ensemble de procédures pour effectuer une modélisation de canal. Au chapitre quatre et cinq, nous présentons nos résultats. Alors qu’au chapitre quatre une étude préliminaire du canal est effectuée, une caractérisation complète est donnée au chapitre cinq. Les chapitres se terminent par la présentation d’un modèle de canal dédié aux simulations de communications numériques afin d’améliorer la liaison avec le projectile. Dans une dernière étape, les conclusions et les questions ouvertes sont détaillées. / This thesis summarizes three years of work in the field of wideband characterization of the radio channel in projectile applications. The popularization of the miniaturized electronics has allowed the instrumentation of projectiles. The information gathered by the onboard sensors needs to be sent from the projectile to the base station as efficiently as possible by means of bi-directional communication links. In order to fulfill this requirement, it is fundamental to optimize every element in the communication chain. The channel, which is the medium where the radio wave propagation takes places, is one of the elements to be modeled. With the purpose of characterizing the radio channel in projectile applications, this thesis has been structured in five chapters: in chapter one and two, the general context of the thesis is presented, introducing the reader to this topic and giving the necessary elements to understand the rest of the manuscript. In chapter three, we address the problem of developing the necessary elements in order to characterize the propagation channel. The first contribution of this thesis is found here in the form of a set of procedures to perform channel modeling. In chapter four and five, we present our results. While chapter in chapter four a preliminary study of the channel is performed, in chapter five a complete characterization is given. The chapters ends with the presentation of the second contribution of this thesis, i.e.a channel model to be used in simulations in order to improve the projectile communication link. In a last stage, the conclusions and open questions are detailed.

Cette thèse a pour but d’étudier le principe d’un multiplexeur de sortie accordable pour la charge utile d’un satellite de télécommunication. La première étape consiste à analyser les principales topologies de multiplexeur de sortie utilisables et les comparer pour en retirer le meilleur candidat pour cette application. Par la suite, diverses études ont été menées sur des composants passifs imprimés en 3D plastique et métallisés de diverses manières, en cherchant à comprendre comment améliorer au mieux les résultats de ces prototypes. La dernière partie de ce manuscrit détaille la conception d’un multiplexeur à deux canaux pouvant être utilisé sur trois états différents en large bande à 19 GHz. Ces états sont créés par des bandes passantes relatives variant de 1,6 à 4,8 % et une réalisation de deux maquettes sert de preuves de concept et de performance (une en plastique métallisé et la seconde en aluminium usiné). / This thesis is about study of tunable output multiplexer principle for telecommunication satellite payload. The first step is analysis of the main topologies of output multiplexers and to compare them to conclude with the best candidate. Then, several studies were conducted on 3D plastic printed passive components with specific metallizations, searching how to improve results in term of losses and precision. Last part detailed two channels multiplexer design which can be used on three different states of relative bandwidth from 1.6 to 4.8 % at 19 GHz, and realization of two concept proof prototypes (one in metallized 3D printed plastic and another one in machined aluminum).

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μελέτη της τεχνικής μετάδοσης OFDM. Η τεχνική OFDM είναι πια μια ώριμη τεχνολογία με αποδεδειγμένη ικανότητα να προσφέρει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων με ιδιαίτερα μεγάλη αποτελεσματικότητα ακόμα και σε δύσκολα περιβάλλοντα μετάδοσης. Αυτό αντικατοπτρίζεται και από την πολύ μεγάλη διείσδυσή της στην αγορά με ενσωμάτωσή της σε πολλά εμπορικά προϊόντα. Όμως οι σύγχρονες ανάγκες επικοινωνιών επιτάσσουν ακόμα πιο μεγάλη αποτελεσματικότητα στην μετάδοση δεδομένων και πλέον συστήματα και λύσεις που προτάθηκαν πριν 2 με 3 χρόνια θεωρούνται αναποτελεσματικά. Κύριο σημείο για την αύξηση της αποτελεσματικότητας αποτελεί η δυνατότητα προσαρμογής του συστήματος στις συνθήκες μετάδοσης. Οι συνθήκες μετάδοσης χαρακτηρίζονται κυρίως από το ασύρματο κανάλι. Για να επιτευχθεί η μεγαλύτερη δυνατή αποτελεσματικότητα το σύστημα θα πρέπει να είναι ικανό να εκτιμά τα κύρια χαρακτηριστικά του ασύρματου καναλιού και στην συνέχεια να προσαρμόζει ανάλογα τα χαρακτηριστικά μετάδοσης. Ένα τέτοιο προσαρμοστικό σύστημα έχει σημαντικό πλεονέκτημα απέναντι σε ένα μη προσαρμοστικό σύστημα το οποίο αντιμετωπίζει την κάθε περίπτωση με έναν ενιαίο μη βέλτιστο τρόπο. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα, το οποίο συναντάται σε όλα τα συστήματα και στο OFDM, είναι η διαφορά της απόδοσης των αλγορίθμων ανάμεσα στην εξομοίωση τους σε λογισμικό και στην υλοποίηση τους σε υλικό. Η παρούσα διατριβή έχει τρεις στόχους. Ο πρώτος στόχος είναι να μελετηθεί το κανάλι μετάδοσης και να διερευνηθούν τα κύρια χαρακτηριστικά του. Η εκτίμηση των χαρακτηριστικών αυτών θα αποτελέσει την προσεγγιστική εκτίμηση καναλιού. Στην συνέχεια το σύστημα βασιζόμενο σε αυτά τα χαρακτηριστικά θα μπορεί να προσαρμοστεί κάθε φορά με τον βέλτιστο τρόπο. Αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι να αποφασιστεί ότι οι συντελεστές που περιγράφουν προσεγγιστικά το κανάλι είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο, η συχνότητα Doppler, η εξάπλωση καθυστέρησης και ο συντελεστής Κ του καναλιού Ricean και να αναπτυχθούν αλγόριθμοι εκτίμησης για κάθε έναν. Μέσω των προτεινόμενων αλγορίθμων το σύστημα θα μπορεί να εκτιμήσει τις συνθήκες μετάδοσης και να προσαρμοστεί κατάλληλα. Ο δεύτερος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της ακριβούς εκτίμησης καναλιού και η ενίσχυση της απόδοσης του συστήματος μέσω αυτής. Για την μελέτη αυτή επιλέχθηκαν δύο διαφορετικοί τρόποι προσέγγισής της. Η πρώτη προσέγγιση ασχολείται με την λεπτομερή εκτίμηση χαρακτηριστικών του καναλιού όπως ο αριθμός των διαδρομών του και η χρονική τοποθέτησή τους. Στην συνέχεια αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των συντελεστών του καναλιού. Η δεύτερη προσέγγιση ασχολείται με την εκτίμηση καναλιού με την χρήση τεχνικών παρεμβολής. Η μελέτη των τεχνικών παρεμβολής οδήγησε στον προσδιορισμό των βασικών προβλημάτων τους και στην πρόταση νέων τεχνικών εκτίμησης καναλιού. Αρχικά προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης μέσω αντικατάστασης των εικονικών υποφορέων του συστήματος με πιλότους. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μια νέα μαθηματική ανάλυση η οποία προσδιορίζει τα χαρακτηριστικά της απόδοσής του. Τέλος η απόδοση της εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε ιδιαίτερα δύσκολες συνθήκες. Στην συνέχεια προτείνεται μία νέα μέθοδος εκτίμησης καναλιού μέσω παρεμβολής η οποία χρησιμοποιεί παραπάνω από ένα σύμβολα OFDM για την εκτίμηση του καναλιού. Για την μέθοδο αυτή δίνεται μία νέα μαθηματική ανάλυση η οποία εμπεριέχει την επίδραση της χρονικής μεταβολής του καναλιού στην απόδοση του συστήματος. Η απόδοση και αυτής της μεθόδου εξετάζεται σε πρακτικό OFDM σύστημα σε δύσκολες συνθήκες. Τέλος ο τρίτος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της διαδικασίας υλοποίησης και βελτιστοποίησης των προτεινόμενων αλγορίθμων εκτίμησης ρεαλιστικά συστήματα υλικού. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε η υλοποίηση μέρους των προηγούμενων προτεινόμενων αλγορίθμων σε ένα σύστημα ψηφιακής επεξεργασίας, το οποίο είναι πολύ κοντά στο να θεωρείται μια ρεαλιστική υλοποίηση. Έτσι είναι εφικτή η μελέτη των επιλογών της υλοποίησης και των συμβιβασμών της για την βέλτιστη απόδοση του συστήματος. / This dissertation deals with the study of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) transmission. OFDM is a mature technology with a proven ability to offer high data transmission rates with particularly big effectiveness even in difficult transmission environments. This is also reflected by its very big infiltration in the market with its incorporation in a lot of commercial products. However the modern needs of communications ordain even bigger effectiveness in data transmission and henceforth systems and solutions that have been proposed 2 or 3 years before are considered ineffective. Main point for the achievement of increase in the effectiveness of the system constitutes the ability of adaptation of the system in the transmission conditions. The transmission conditions are mainly characterized by the wireless channel. In order to achieve the highest effectiveness the system must be able to estimate the channel characteristics and to adjust its transmission characteristics accordingly. Such an adaptive system has a significant advantage compared to a non adaptive system which faces each case with a uniform and not optimal way. Another important problem that all communication systems face, including OFDM, is the difference in the performance of an algorithm between its software simulation and it hardware implementation. The present dissertation has three objectives. The first objective is to study the transmission channel and investigate its main characteristics. The estimation of these characteristics will constitute the coarse channel estimation. Then the system will be able to adapt itself optimally. The result of this study is to decide that the factors that coarsely describe the channel are the signal to noise ratio, the Doppler frequency, delay spread and the Ricean channel K factor. Then new algorithms were developed to estimate each one of these factors. Through the proposed algorithms the system will be able to estimate the transmission conditions and be adapted suitably. The second objective of this dissertation is to study the exact channel estimation and the way that the system performance can be enhanced through it. For this study two different approaches were selected. The first approach deals with the detailed estimation of the channel characteristics such as the number of the paths and their placement in time. Then these elements are used to get the channel estimation coefficients. The second approach deals with the channel estimation through interpolation. The study of interpolation methods led to the determination of their basic problems and the proposal of new channel estimation techniques. Firstly a novel channel estimation is proposed through the replacement of virtual subcarriers with pilots. For this method a novel mathematic analysis is given that determines its performance characteristics. Finally its performance is examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Then another novel channel estimation method through interpolation is proposed that uses more than one OFDM symbol to estimate the channel. For this novel method a novel mathematic analysis is given which includes the effect of the time variant channel. The performance of this method is also examined in a practical OFDM system in particularly difficult conditions. Finally the third objective is to study the implementation and optimization process of the proposed estimation algorithms in realistic hardware systems. For this it was selected to implement a part of the previously proposed algorithms in a digital signal processing system that is very close to be considered a realistic implementation. This way it is feasible to study the implementation choices that have to be made and the trade offs for the optimum performance of the system.

H επιστήμη των τηλεπικοινωνιών τα τελευταία χρόνια έχει κάνει μεγάλα τεχνολογικά άλματα, σε σύγκριση με τις προηγούμενες δεκαετίες. Το ασύρματο κανάλι επικοινωνίας συχνά θεωρείται ο αδύναμος κρίκος της τηλεπικοινωνιακής αλυσίδας. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται το πρόβλημα του διαμοιρασμού των διαθέσιμων πόρων ενός ασύρματου συστήματος επικοινωνίας στους χρήστες μέσα στην περιοχή μιας κυψέλης. Γίνεται η υπόθεση ότι το ασύρματο σύστημα κάνει χρήση της τεχνικής πολλαπλής πρόσβασης (multiple–access technique) OFDMA, δηλαδή ότι χρησιμοποιεί έναν αριθμό ορθογώνιων υποφορέων τον οποίο αναθέτει στους χρήστες για τη μετάδοση της πληροφορίας. Οι διαθέσιμοι πόροι του συστήματος είναι οι ορθογώνιοι υποφορείς και η συνολική διαθέσιμη ισχύς στο σταθμό βάσης. Θεωρούμε ότι ο σταθμός βάσης έχει στη διάθεσή του τέλεια γνώση του καναλιού που τον συνδέει με κάθε χρήστη (channel state information – CSI) μέσω καναλιών ανάδρασης. Η πληροφορία κατάστασης του καναλιού χρησιμοποιείται από τον σταθμό βάσης για την κατανομή των πόρων προς τους χρήστες με δυναμικό τρόπο με χρήση κατάλληλων αλγορίθμων. 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. / The telecommunications science the last years has made big technological vaults, compared to the previous decades. Wireless communication channel is often considered as the weakest link of telecommunications' chain. In this diploma thesis, the downlink of a single-cell system is considered in the downlink transmission. The multiple–access technique that is used in this system is OFDMA and the objective is the allocation of the resources among users that access the system. 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. It is assumed that users estimate and feedback perfectly the channel state information (CSI) to the base station of the cell, where subcarrier and power allocation are determined according to the CSI of the users and the resource–allocation algorithm. In this diploma thesis, different resource allocation strategies for the downlink of an OFDMA system are compared. Each algorithm has a different objective.