This work deals with provisioning of communication services via satellites for collectively mobile user groups in a heterogeneous network with several radio access technologies. The extended use of personalised user equipment beyond the coverage of one single terrestrial network by means of a satellite transport link, represents an increasingly important trend in mobile satellite communication. This trend is confirmed by the commercial introduction of broadband satellite communication to mobile terminals mounted on vehicles, trains, ships or aircraft. This work provides a consequent and structured approach for provisioning of services to broadband satellite terminals for mobile user groups and addresses: -- a systematic satellite communication system design process for collective mobile terminals; -- mobile satellite modelling at a wide range of frequencies, including current and potential frequencies; -- an optimised Pointing Acquisition and Tracking (PAT) system design including characterisation of moments for vehicle types of all mobile scenarios; -- a general hierarchical multi-service dimensioning methodology for collectively mobile user groups, including voice, data, and multimedia services; -- an aeronautical system dimensioning scheme with (capacity and handover) requirements analysis and evaluation of results for different satellite scenarios.

Traditionally, noise in communication systems has been modeled as an additive, white Gaussian noise process with independent, identically distributed samples. Although this model accurately reflects thermal noise present in communication system electronics, it fails to capture the statistics of interference and other sources of noise, e.g. in unlicensed communication bands. Modern communication system designers must take into account interference and non-Gaussian noise to maximize efficiencies and capacities of current and future communication networks. In this work, I develop new multi-dimensional signal processing methods to improve performance of communication systems in three applications areas: (i) underwater acoustic, (ii) powerline, and (iii) multi-antenna cellular. In underwater acoustic communications, I address impairments caused by strong, time-varying and Doppler-spread reverberations (self-interference) using adaptive space-time signal processing methods. I apply these methods to array receivers with a large number of elements. In powerline communications, I address impairments caused by non-Gaussian noise arising from devices sharing the powerline. I develop and apply a cyclic adaptive modulation and coding scheme and a factor-graph-based impulsive noise mitigation method to improve signal quality and boost link throughput and robustness. In cellular communications, I develop a low-latency, high-throughput space-time-frequency processing framework used for large scale (up to 128 antenna) MIMO. This framework is used in the world's first 100-antenna MIMO system and processes up to 492 Gbps raw baseband samples in the uplink and downlink directions. My methods prove that multi-dimensional processing methods can be applied to increase communication system performance without sacrificing real-time requirements. / text

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.

This thesis provides novel contribution to the field of body-centric wireless communications (BCWC) with the development of a measurement methodology for wearable antenna characterisation on the human body, the implementation of fully-textile wearable antennas and the on-body channel modelling considering different antenna types and user's dynamic effects. More specifically, a measurement methodology is developed for characterising wearable antennas on different locations of the human body. A cylindrical near-field (CNF) technique is employed, which facilitates wearable antenna measurements on a full-body solid anthropomorphic mannequin (SAM) phantom. This technique allows the fast extraction of the full spherical radiation pattern and the corresponding radiation efficiency, which is an important parameter for optimising wearable system design. It appears as a cost- effective and easy to implement solution that does not require expensive positioning systems to rotate the phantom, in contrast to conventional roll-over-azimuth far-field systems. Furthermore, a flexible fully-textile wearable antenna is designed, fabricated and measured at 2.4 GHz that can be easily integrated in smart clothing. It supports surface wave propagation and exhibits an omni-directional radiation pattern that makes it suitable for on-body communications. It is based on a multilayer low-profile higher-mode patch antenna (HMMPA) design with embroidered shorting vias. Emphasis is given to the fabrication process of the textile vias with conductive sewing thread that play an important role in generating the optimal mode for on-body radiation. The radiation pattern shape of the proposed fully-textile antenna was found to be similar to a copper rigid antenna, exhibiting a high on-body radiation efficiency of 50 %. The potential of the embroidery technique for creating wearable antennas is also demonstrated with the fabrication of a circularly polarised spiral antenna that achieves a broadband performance from 0.9-3 GHz, which is suitable for off-body communications. By testing the textile spiral antenna on the SAM phantom, the antenna-body interaction is examined in a wide frequency range. Finally, a statistical characterisation of on-body communication channels is undertaken both with EM simulations and channel measurements including user's dynamic movement (walking and running). By using antenna types of different polarisation, the on-body channels are examined for different propagation conditions. Four on-body channels are examined with the one part fixed on the waist of the human body while the other part located on the chest, back, wrist and foot. Channel path gain is derived, while large-scale and small-scale fading are modelled by best-fit statistical distributions.

El principal motivo por el cual los sistemas de comunicación en el entrono corporal se desean con el objetivo de poder obtener y procesar señales biométricas para monitorizar e incluso tratar una condición médica sea ésta causada por una enfermedad o el rendimiento de un atleta. Dado que la base de estos sistemas está en la sensorización y el procesado, los algoritmos de procesado de señal son una parte fundamental de los mismos. Esta tesis se centra en los algoritmos de tratamiento de señales en tiempo real que se utilizan tanto para monitorizar los parámetros como para obtener la información que resulta relevante de las señales obtenidas. En la primera parte se introduce los tipos de señales y sensores en los sistemas en el entrono corporal. A continuación se desarrollan dos aplicaciones concretas de los sistemas en el entorno corporal así como los algoritmos que en las mismas se utilizan. La primera aplicación es el control de glucosa en sangre en pacientes con diabetes. En esta parte se desarrolla un método de detección mediante clasificación de patronones de medidas erróneas obtenidas con el monitor contínuo comercial "Minimed CGMS". La segunda aplicacióin consiste en la monitorizacióni de señales neuronales. Descubrimientos recientes en este campo han demostrado enormes posibilidades terapéuticas (por ejemplo, pacientes con parálisis total que son capaces de comunicarse con el entrono gracias a la monitorizacióin e interpretación de señales provenientes de sus neuronas) y también de entretenimiento. En este trabajo, se han desarrollado algoritmos de detección, clasificación y compresión de impulsos neuronales y dichos algoritmos han sido evaluados junto con técnicas de transmisión inalámbricas que posibiliten una monitorización sin cables. Por último, se dedica un capítulo a la transmisión inalámbrica de señales en los sistemas en el entorno corporal. En esta parte se estudia las condiciones del canal que presenta el entorno corporal para la transmisión de s / Traver Sebastiá, L. (2012). Real-time signal detection and classification algorithms for body-centered systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16188

Esta tesis caracteriza experimentalmente el comportamiento del canal MIMO en diferentes escenarios y evalúa la dependencia del rendimiento del canal con la tipología del escenario y diferentes condiciones de propagación. Para facilitar el desarrollo de futuros sistemas con múltiples antenas en estos escenarios, se presentan modelos sencillos y eficientes de canales SISO y MIMO.Se ha realizado el análisis de canales MIMO 2x2 a partir de diversas campañas de medidas realizadas en distintos escenarios interiores, exteriores y mixtos. Se han estudiado dos aspectos fundamentales: la correlación espacial y la capacidad del canal. El estudio se completa con el desarrollo de un método de modelado basado en líneas de retardo. Mediante este método se obtienen modelos sencillos y eficientes de canales SISO y MIMO de los escenarios interiores y mixtos medidos. Así se contribuye al desarrollo de nuevos sistemas de comunicaciones inalámbricos en escenarios mixtos y a facilitar la simulación de sistemas MIMO gracias a los nuevos modelos propuestos. / This thesis characterizes in an experimental way the MIMO channel behavior in different scenarios, including the evaluation of the channel performance dependency with the type of scenario and different propagation conditions. In order to facilitate the development of future systems with multiple antennas in these scenarios, simple and efficient SISO and MIMO channel models are presented.The analysis of the 22 MIMO channel has been based on several measurement campaigns carried out in different outdoor, indoor and mixed environments. Two fundamental aspects are studied: the spatial correlation and the channel capacity. The analysis is completed with the development of a method to model the radio channel based on tapped delay lines. Using this method, simple and efficient SISO and MIMO channel models of indoor, outdoor and mixed scenarios have been obtained. In this way this work contributes to the development of new wireless communication systems and to facilitate the simulation of MIMO systems by means of the new proposed models.

New and future telecommunication networks are and will be broadband type. The existing terrestrial and space radio communication infrastructures might be supplemented by new wireless networks that make and will make use of aeronautics-technology. Our study/contribution is referring to radio communications based on radio stations aboard a stratospheric platform named, by ITU-R, HAPS (High Altitude Platform Station). These new networks have been proposed as an alternative technology within the ITU framework to provide various narrow/broadband communication services. With the possibility of having a payload for Telecommunications in an aircraft or a balloon (HAPS), it can be carried out radio communications to provide backbone connections on ground and to access to broadband points for ground terminals. The latest implies a complex radio network planning. Therefore, the radio coverage analysis at outdoors and indoors becomes an important issue on the design of new radio systems. In this doctoral thesis, the contribution is related to the HAPS application for terrestrial fixed broadband communications. HAPS was hypothesised as a quasi-static platform with height above ground at the so-called stratospheric layer. Latter contribution was fulfilled by approaching via simulations the outdoor-indoor coverage with a simple efficient computational model at downlink mode. This work was assessing the ITU-R recommendations at bands recognised for the HAPS-based networks. It was contemplated the possibility of operating around 2 GHz (1820 MHz, specifically) because this band is recognised as an alternative for HAPS networks that can provide IMT-2000 and IMT-Advanced services. The global broadband radio communication model was composed of three parts: transmitter, channel, and receiver. The transmitter and receiver parts were based on the specifications of the IEEE Std 802.16TM-2009 (with its respective digital transmission techniques for a robust-reliable link), and the channel was subjected to the analysis of radio modelling at the level of HAPS and terrestrial (outdoors plus indoors) parts. For the channel modelling was used the two-state characterisation (physical situations associated with the transmitted/received signals), the state-oriented channel modelling. One of the channel-state contemplated the environmental transmission situation defined by a direct path between transmitter and receiver, and the remaining one regarded the conditions of shadowing. These states were dependent on the elevation angle related to the ray-tracing analysis: within the propagation environment, it was considered that a representative portion of the total energy of the signal was received by a direct or diffracted wave, and the remaining power signal was coming by a specular wave, to last-mentioned waves (rays) were added the scattered and random rays that constituted the diffuse wave. At indoors case, the variations of the transmitted signal were also considering the following matters additionally: the building penetration, construction material, angle of incidence, floor height, position of terminal in the room, and indoor fading; also, these indoors radiocommunications presented different type of paths to reach the receiver: obscured LOS, no LOS (NLOS), and hard NLOS. The evaluation of the feasible performance for the HAPS-to-ground terminal was accomplished by means of thorough simulations. The outcomes of the experiment were presented in terms of BER vs. Eb/N0 plotting, getting significant positive conclusions for these kind of system as access network technology based on HAPS.

In this thesis, various pilot symbol aided channel estimation and tracking methods are investigated and their performances are compared for an OFDM system with packet based communication on HF channel. For the HF channel, Watterson HF channel model is used. The compared methods are least squares (LS) channel estimation, linear minimum mean square error (LMMSE) channel estimation, least mean squares (LMS) channel tracking, recursive least squares (RLS) channel tracking, constant position model based Kalman filter channel tracking, and constant velocity model based Kalman filter channel tracking. For LMS and RLS methods some adaptive approaches are also investigated.

Στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες, χρησιμοποιείται μια μεγάλη γκάμα από RF μοντέλα, για τον υπολογισμό την μέσης τιμής ισχύος του σήματος εκπομπής για δεδομένη απόσταση από τον πομπό και για δεδομένη συχνότητα. Στις διεργασίες αυτές , επιδρούν στο δικό τους βαθμό διάφορες παράμετροι τοπολογικού (πληθυσμός , τύπος εμποδίων, πυκνότητα εμποδίων) και γεωγραφικού (μορφολογία εδάφους, υγρασία, διαμόρφωση χώρου) χαρακτήρα, αλλά και χαρακτηριστικά των πομποδεκτών ( συνήθως το ύψος και το κέρδος των κεραιών). Στις περισσότερες περιπτώσεις οι απώλειες όδευσης (Path Loss όπως είναι γνωστές στη διεθνή βιβλιογραφία) , εκφράζονται σε dB , σα συνάρτηση της συχνότητας λειτουργίας του υπό μελέτη συστήματος και της απόστασης ανάμεσα στον πομπό και το δέκτη ( πάντα για δεδομένα χαρακτηριστικά κεραιών και τύπο περιβάλλοντος). Έτσι μια ντετερμινιστική γνώση του μέσου path loss, που σε συνδυασμό με άλλες πιθανές απώλειες μας δίνει το σύνολο των απωλειών είναι εφικτή. O περιορισμός όσον αφορά στη συχνότητα και στις αποστάσεις , έχουν οδηγήσει τη σύγχρονη έρευνα στην επέκταση των υπαρχόντων μοντέλων , τόσο εξωτερικού όσο και εσωτερικού χώρου. Μια βασική παράμετρος της έρευνας στηρίζεται στην παραδοχή πως ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου , ο οποίος περιγράφεται από την εξίσωση του Friis δε βρίσκει εφαρμογή, παρά μόνο σε περιβάλλοντα όπου επιτυγχάνεται LOS( Line of Sight) όδευση. Η τροποποίηση της παραπάνω εξίσωσης με δυναμικό ως προς το εκάστοτε περιβάλλον τρόπο , επιτρέπει πλέον τον υπολογισμό της μέσης ισχύος του σήματος σε σχετικά ρεαλιστικό βαθμό. Για παράδειγμα έχει προταθεί τροποποίηση με την τρίτη δύναμη της απόστασης για ένα σύνολο εφαρμογών , που αφορούν συστήματα ασυρμάτων τηλεπικοινωνιών εξωτερικού περιβάλλοντος.Ένα εσωτερικό περιβάλλον απαιτεί μια πολύ πιο ντετερμινιστική φόρμουλα υπολογισμού των απωλειών ώστε να μπορέσει ο μελετητής να υπολογίσει με αξιοπιστία την ισχύ του σήματος σε μια δεδομένη θέση. Η ακρίβεια λοιπόν των μοντέλων εξαρτάται άμεσα από την ικανότητά τους να απεικονίσουν και να αποδώσουν με τη σειρά τους , μέσω των υπολογισμών, όλα αυτά τα σύνθετα φαινόμενα με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Η πλειοψηφία των RF μοντέλων που αναπτύσσονται στα πλαίσια ακόλουθων παραγράφων, έχει αναπτυχθεί και αξιολογηθεί για συστήματα κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας (GSM, PCS-1800, GPRS, UMTS). Προκειμένου να ξεπεραστούν διάφοροι περιορισμοί των αρχικών μοντέλων ως προς την συχνότητα λειτουργίας του συστήματος και την απόσταση πομπού-δέκτη (ουσιαστικά την εμβέλεια του μοντέλου), ορισμένες προεκτάσεις έχουν παρουσιαστεί σε διάφορες ερευνητικές εργασίες και χρησιμοποιούνται ευρέως . Ορισμένα νέα μοντέλα έχουν επίσης προστεθεί στα ήδη υπάρχοντα για τις συχνότητες συστημάτων κινητής τηλεφωνίας . Για άλλες περιοχές συχνοτήτων με έντονο ενδιαφέρον, πχ στα 5,2 GHz, διάφορες προτάσεις έχουν πραγματοποιηθεί, συχνά υποστηριζόμενες από μετρήσεις. Λαμβάνοντας υπόψη την συχνότητα των 2,4 GHz, δεν μπορούμε παρά να συμπεράνουμε ότι η όσο το δυνατόν πιο ακριβής και επιστημονικά αξιόπιστη μοντελοποίηση του ασύρματου διαύλου, ιδιαίτερα – άλλα όχι αποκλειστικά – για τοπολογίες εσωτερικών χώρων, είναι πολύ σημαντική για τον σχεδιασμό και την εύρυθμη λειτουργία των Wi-Fi συστημάτων και των WLAN δικτύων. Παρόλα αυτά, αν και στην υπάρχουσα βιβλιογραφία και στην διεθνή επιστημονική και ερευνητική κοινότητα υπάρχουν αρκετά σημαντικές εργασίες για την μοντελοποίηση του ασύρματου διαύλου στα 2,4 GHz , εντούτοις απουσίαζε, για πολύ καιρό, μία ολοκληρωμένη συγκριτική αντιπαραβολή και αξιολόγηση των βασικών θεωρητικών μοντέλων για τον υπολογισμό της μέσης απώλειας οδεύσεως στη συγκεκριμένη συχνότητα. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής , θα προσπαθήσουμε να αξιοποιήσουμε το σύνολο των μετρήσεων και των δεδομένων που συλλέξαμε , σε ρεαλιστικές συνθήκες και για πραγματικά συστήματα μετάδοσης , τόσο να αξιολογήσουμε τα ήδη υπάρχοντα RF μοντέλα , όσο και να προβούμε στις απαραίτητες προτάσεις και τροποποιήσεις όπου αυτό κριθεί σκόπιμο. Επίσης για τη σκίαση επιχειρούμε εδώ μια προσέγγιση υπολογισμού μέσω της χρήσης των RF μοντέλων και την ενσωμάτωση όλων των χαρακτηριστικών διάδοσης , που αφορούν και στα δύο στοιχεία των μεγάλης κλίμακας διαλείψεων. Οι μετρήσεις μέσης λαμβανόμενης ισχύος πραγματοποιήθηκαν σε πέντε διαφορετικές τοπολογίες. Σε κάθε μία από αυτές τις τοπολογίες ελήφθησαν μετρήσεις της μέσης λαμβανόμενης ισχύος σε διάφορες δειγματοληπτικές αποστάσεις πομπού-δέκτη ούτως ώστε να είναι εφικτή, με έναν υψηλό βαθμό αξιοπιστίας, η αξιολόγηση των βασικών μοντέλων απωλειών οδεύσεως. Ταυτόχρονα, μέσα από αυτή την διαδικασία, αξιολογήθηκε η αξιοπιστία των μοντέλων αναφορικά με τις ιδιαιτερότητες της κάθε τοπολογίας, που αποτυπώνονται ποιοτικά και ποσοτικά στους μηχανισμούς διάδοσης του ραδιοσήματος σε κάθε περίπτωση. / In modern wireless communications, a wide range of RF models are used to provide the median (average) value of the signal strength at a given distance from the transmitter and for a given frequency spectrum. In this procedure, certain geographical (ground, humidity, terrain irregularities), topological (heavy or scattered population, type of obstacles, density of the buildings) characteristics of the area, as well as certain specifications of the transmitter and receiver antennas (most notably antenna height and antenna gain) have to be taken into consideration. In most cases, the mean value of the path loss is expressed in dB in dependence with the frequency of the operating system and the distance between the transmitter and the receiver (for given antenna characteristics and a certain type of environment where the system operates). Thus, a deterministic knowledge of the average path loss (which along with the average rain loss and diffraction loss provides the overall propagation loss in dB) is available. However, distance and frequency limitations have led research to a further study and expanding of the existing empirical and semi-empirical models , for both outdoor and indoor scenarios. A fundamental parameter-based study of the path loss models is based on the concept that the second power law that is predicted by the Friis equation does not apply in real-life scenarios except for standard LOS paths. The modified power law research allows engineers and scholars to calculate the mean received power of a signal transmitted over a wireless link in a more realistic approach. It has been suggested that the third-power law is more suitable for a plethora of applications based on wireless communications for an outdoor environment.The indoor propagation channel, in particular, demands a lot more than a deterministic formula of calculating the average signal strength as a function of distance and frequency. The increased impact of multipath and other propagation phenomena such as reflection and scattering, as well as the existence of many objects whose proportions are comparatively close to the wavelength of the operating wireless systems, render the propagation of a signal and its arrival at a receiver (mobile or fixed) a rather complex procedure. The precision of the path loss models depends heavily on their ability to demonstrate and reflect, in the calculations, these complex phenomena to the best possible way .The majority of these models have been developed and validated for mobile telephony systems in both outdoor and indoor schemes (GSM, PCS-1800, GPRS, UMTS). Certain extensions of many of these models were conducted in order to expand the frequency and distance limitation of the original formulas. New empirical models have also been suggested for these certain frequencies .Taking into account the very sensitive and subject to many different factors nature of the indoor propagation channel, it is easily concluded that both researchers in academia and engineers in industry need to have reliable models that will predict precisely the average path loss over the indoor 2.4 GHz channel which is of utter importance as the de facto frequency of Wi-Fi and WLAN systems. A gap in aforementioned research, however, is that it either concentrates on multipath parameters or does not feature a full comparative validation of most well-known indoor path loss models.The purpose of this work is to present, all the data collected through experiments in realistic conditions and real telecom systems, in order to validate and modify (where necessary) the existing RF models. Furthermore an empirical formula to measure attenuation due to shadowing is derived through these RF models.Measurements took part in five different topologies. In each of them the mean received power was recorded, for various distances between the transmitter and the receiver, in order for our endeavor to validate the RF models in question to be reliable. Through this procedure, RF models where examined towards each topology’s distinctive characteristics that reflect in quality and quantity all the attenuation mechanisms that affect the propagated signal.

Please read the abstract in the front matter this document / Dissertation (M Eng (Electronic Engineering))--University of Pretoria, 2006. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted