Vehicular networking is envisioned to be a key technology area for significant growth in the coming years. Although the expectations for this emerging technology are set very high, many practical aspects remain still unsolved for a vast deployment of vehicular networks. This dissertation addresses the enabling physical layer techniques to meet the challenges in vehicular networks operating in mobile wireless environments. Considering the infrastructure-less nature of vehicular networks, we envision cooperative diversity well positioned to meet the demanding requirements of vehicular networks with their underlying distributed structure. Cooperative diversity has been proposed as a powerful means to enhance the performance of high-rate communications over wireless fading channels. It realizes spatial diversity advantages in a distributed manner where a node uses others antennas to relay its message creating a virtual antenna array. Although cooperative diversity has garnered much attention recently, it has not yet been fully explored in the context of vehicular networks considering the unique characteristics of vehicular networks, this dissertation provides an error performance analysis study of cooperative transmission schemes for various deployment and traffic scenarios. In the first part of this dissertation, we investigate the performance of a cooperative vehicle-to-vehicle (V2V) system with amplify-and-forward relaying for typical traffic scenarios under city/urban settings and a highway area. We derive pairwise error probability (PEP) expressions and demonstrate the achievable diversity gains. The effect of imperfect channel state information (CSI) is also studied through an asymptotical PEP analysis. We present Monte-Carlo simulations to confirm the analytical derivations and present the error rate performance of the vehicular scheme with perfect and imperfect-CSI. In the second part, we consider road-to-vehicle (R2V) communications in which roadside access points use cooperating vehicles as relaying terminals. Under the assumption of decode-and-forward relaying, we derive PEP expressions for single-relay and multi-relay scenarios. In the third part, we consider a cooperative multi-hop V2V system in which direct transmission is not possible and investigate its performance through the PEP derivation and diversity gain analysis. Monte-Carlo simulations are further provided to con firm the analytical derivations and provide insight into the error rate performance improvement.

Abstract The high increase in traffic and data rate for future generations of mobile communication systems, with simultaneous requirement for reduced power consumption, makes Multihop Cellular Networks (MCNs) an attractive technology. To exploit the potentials of MCNs a number of new network paradigms are proposed in this thesis. First, a new algorithm for efficient relaying topology control is presented to jointly optimize the relaying topology, routing and scheduling resulting in a two dimensional or space time routing protocol. The algorithm is aware of intercell interference (ICI), and requires coordinated action between the cells to jointly choose the relaying topology and scheduling to minimize the system performance degradation due to ICI. This framework is extended to include the optimization of power control. Both conventional and cooperative relaying schemes are considered. In addition, a novel sequential genetic algorithm (SGA) is proposed as a heuristic approximation to reconfigure the optimum relaying topology as the network traffic changes. Network coding is used to combine the uplink and downlink transmissions, and incorporate it into the optimum bidirectional relaying with ICI awareness. Seeking for a more tractable network model to effectively use context awareness and relying on the latest results on network information theory, we apply a hexagonal tessellation for inner partition of the cell into smaller subcells of radius r. By using only one single topology control parameter (r), we jointly optimize routing, scheduling and power control to obtain the optimum trade-off between throughput, delay and power consumption in multicast MCNs. This model enables high resolution optimization and motivates the further study of network protocols for MCNs. A new concept for route discovery protocols is developed and the trade-off between cooperative diversity and spatial reuse is analyzed by using this model. Finally, a new architecture for MCN is considered where multihop transmissions are performed by a Delay Tolerant Network, and new solutions to enhance the performance of multicast applications for multimedia content delivery are presented. Numerical results have shown that the algorithms suggested in this thesis provide significant improvement with respect to the existing results, and are expected to have significant impact in the analysis and design of future cellular networks. / Tiivistelmä Tiedonsiirron ja tiedonsiirtonopeuksien suuri kasvu sekä tehonkulutuksen pieneneminen tulevien sukupolvien matkapuhelinjärjestelmissä tekevät monihyppyiset matkapuhelinverkot houkutteleviksi vaihtoehdoiksi. Tässä työssä esitetään uusia tiedonsiirtoverkkojen paradigmoja monihyppyisten matkapuhelinverkkojen hyödyntämiseksi. Työssä esitellään uusi algoritmi tehokkaaseen releointitopologian hallintaan, joka optimoi yhtäaikaisesti topologian, reitityksen sekä lähetyshetkien ajoituksen ja mahdollistaa tila-aika-reititysprotokollan toteutuksen. Esitetty algoritmi huomioi solujen keskinäishäiriön ja vaaditulla solujen välisellä koordinoidulla hallinnalla saadaan yhdessä valittua topologia ja ajoitus, jotka minimoivat solujen keskinäisistä häiriöistä johtuvan suorituskyvyn heikentymisen. Myöhemmin tätä viitekehystä on laajennettu lisäämällä siihen tehonsäädön optimointi. Työssä on tutkittu sekä perinteisiä että kooperatiivisia releointimenetelmiä. Lisäksi työssä esitetään uusi geneettinen algoritmi heuristiseksi approksimaatioksi verkon liikenteen muutoksen vaatimaan releointitopologian uudelleen järjestelyyn. Työssä tarkastellaan lisäksi verkkokoodausta ylä- ja alasuuntaan tapahtuvan tiedonsiirron yhdistämiseksi sisällyttämällä se solujen keskinäishäiriön huomioivaan kahdensuuntaiseen releointiin. Etsittäessä paremmin mukautuvaa ja kontekstitietoisuutta hyödyntävää verkkomallia, joka käyttää hyväkseen viimeisimpiä verkkojen informaatioteoreettisia tuloksia, voidaan verkon solut pilkkoa pienempiin kuusikulmaisiin alisoluihin. Käyttämällä ainoastaan näiden alisolujen sädettä r voidaan puolestaan verkon reititys, ajoitus ja tehon säätö optimoida yhtäaikaisesti saavuttaen paras mahdollinen kompromissi verkon läpäisyn, viiveen ja tehonkulutuksen välillä. Kehitetty malli mahdollistaa korkean resoluution optimoinnin ja motivoi uusien verkkoprotokollien kehitystä monihyppyisissä matkapuhelinverkoissa. Tätä mallia käyttäen esitellään myös uusi konsepti reitinetsintäprotokollille sekä analysoidaan kooperatiivisen diversiteetin ja tila-avaruudessa tapahtuvan uudelleenkäytön välistä kompromissiratkaisua. Lopuksi työssä tarkastellaan monihyppyisen matkapuhelinverkon uutta arkkitehtuuria, jossa monihyppylähetykset suoritetaan viivesietoisella verkolla ja esitetään uusia ratkaisuja multimediasisällön monilähetysten tehokkuuden parantamiseksi. Työssä saadut tulokset osoittavat, että ehdotetut algoritmit parantavat järjestelmien suorituskykyä verrattuna aiemmin tiedossa olleisiin tuloksiin. Työn tuloksilla voidaan olettaa myös olevan suuri vaikutus tulevaisuuden matkapuhelinverkkojen analysointiin ja suunnitteluun.

Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής μελετάται η επίδοση συστημάτων διαφορισμού MIMO σε γενικευμένα κανάλια διαλείψεων. Αρχικά, εξετάζεται η επίδοση των OSTBC σε περιβάλλοντα διαλείψεων Hoyt. Αποδεικνύεται ότι, στην περίπτωση τέτοιων συστημάτων, ο σηματοθορυβικός λόγος (signal to noise ratio, SNR) εκφράζεται ως μία τετραγωνική μορφή κανονικών τυχαίων μεταβλητών και γίνεται χρήση της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας και της αθροιστικής συνάρτησης κατανομής αυτής της μορφής για τον υπολογισμό των μετρικών επίδοσης. Επιπλέον, μελετάται η σύγκλιση των σειρών που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των δύο αυτών συναρτήσεων και κατασκευάζονται νέα άνω φράγματα για το σφάλμα αποκοπής των σειρών. Τα φράγματα αυτά είναι σαφώς πιο αυστηρά από τα ήδη γνωστά από τη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, εισάγεται ένα γενικευμένο μοντέλο διαλείψεων για την ανάλυση επίδοσης των OSTBC και των δεκτών MRC και υπολογίζονται όλες οι μετρικές επίδοσης των δύο συστημάτων για το συγκεκριμένο μοντέλο διαλείψεων. Το μοντέλο αυτό περιλαμβάνει ως ειδικές περιπτώσεις τα πλέον διαδεδομένα μοντέλα καναλιών διαλείψεων, ενώ επιπλέον, επιτρέπει την ανάλυση επίδοσης σε μικτά περιβάλλοντα διαλείψεων όπου τα πολλαπλά κανάλια μπορούν να ακολουθούν διαφορετικές κατανομές. Στη συνέχεια, μελετάται η επίδοση συστημάτων συνεργατικού διαφορισμού με χρήση αναμεταδοτών ανίχνευσης και προώθησης (Detect and Forward, DaF) σε περιβάλλοντα διαλείψεων Rayleigh. Εξετάζονται τρεις διαφορετικοί δέκτες και υπολογίζεται η πιθανότητα σφάλματος ανά bit γι' αυτούς. Τέλος προτείνεται ένας νέος δέκτης για συνεργατικά συστήματα DaF και αποδεικνύεται η ανωτερότητά του σε σύγκριση με τους υπόλοιπους μελετώμενους δέκτες. Όλα τα θεωρητικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο πλαίσιο της διατριβής συγκρίνονται με αποτελέσματα προσομοιώσεων Monte Carlo που αποδεικνύουν την ορθότητα της ανάλυσης. / This thesis studies the performance of MIMO diversity systems in generalized fading channels. First, we examine the performance of OSTBC in Hoyt fading channels. It is proven that, for this fading model, and when an OSTBC is employed, the signal-to-noise ratio (SNR) of the OSTBC can be expressed as a quadratic form in normal random variables. Therefore, the performance analysis for OSTBC over Hoyt fading channels is performed using the PDF and the CDF of such quadratic forms. In the statistical literature, these functions are expressed in terms of infinite series. The convergence of the series is thoroughly studied and new expressions for the truncation error bound of these series are proposed. The proposed bounds are much tighter than the bounds that can be found in the literature. The expressions for the PDF and the CDF are then used for the performance analysis of OSTBC over Hoyt fading and several performance metrics are calculated. Then, a generalized fading model for the performance analysis of OSTBC and MRC is proposed and the theoretical performance analysis of both MRC and OSTBC is carried out. The main advantage of this model is the fact that it includes as special cases most of the widely used fading models. Furthermore, the performance of cooperative diversity systems employing Detect and Forward (DaF) relays is studied for Rayleigh fading channels. More specifically, three low complexity detection algorithms for these channels are examined and closed-form expressions of the bit error probability (BEP) for these receivers are derived. Finally, a new low complexity receiver for cooperative systems with DaF relays is proposed. Using Monte Carlo Simulations it is shown that this receiver outperforms the three receivers that have been studied. For the systems studied in the thesis, the performance analysis results that have been derived theoretically are compared with Monte Carlo simulations that prove the validity of the analysis.