Different diversity techniques such as Maximal-Ratio Combining (MRC), Equal-Gain Combining (EGC) and Selection Combining (SC) are described and analyzed. Two branches (N=2) diversity systems that are used for pre-detection combining have been investigated and computed. The statistics of carrier to noise ratio (CNR) and carrier to interference ratio (CIR) without diversity assuming Rayleigh fading model have been examined and then measured for diversity systems. The probability of error (p_e) vs CNR and (p_e) versus CIR have also been obtained. The fading dynamic range of the instantaneous CNR and CIR is reduced remarkably when diversity systems are used [1]. For a certain average probability of error, a higher valued average CNR and CIR is in need for non-diversity systems [1]. But a smaller valued of CNR and CIR are compared to diversity systems. The overall conclusion is that maximal-ratio combining (MRC) achieves the best performance improvement compared to other combining methods. Diversity techniques are very useful to improve the performance of high speed wireless channel to transmit data and information. The problems which considered in this thesis are not new but I have tried to organize, prove and analyze in new ways.

Les forts besoins en matière d'économie de carburant, de réduction des coûts de maintenance et de diminution des accidents routiers, ont conduit à la conception et à la commercialisation d'une gamme de systèmes embarqués sans fil, installés dans les véhicules roulants terrestres. Or, il faudra surmonter plusieurs défis techniques pour que les divers bénéfices de ses systèmes se réalisent. Ce mémoire de thèse s'est déroulé au sein de l'entreprise Continental Automotive Systems et les laboratoires LAAS et LAPLACE de Centre National de la Recherche Scientifique. Les travaux ont porté sur le canal de propagation radiofréquence dans l'environnement du véhicule pour le système de surveillance de pression des pneumatiques (TPMS) et le système d'accès sans fil (PASE). Ils se sont répartis entre les expérimentations et des études théoriques visant à présenter des modèles efficaces de l'environnement de propagation, d'évaluer la qualité de communication et de proposer des solutions adaptées aux systèmes embarqués sans fil étudiés. Les résultats de simulation et de mesure montrent que nous pouvons bien cerner les mécanismes de propagation mis en jeu dans l'environnement véhicule, et d'adapter en conséquence les solutions protocolaires et antennaires. / The high potential of accident prevention by using an intelligent tire system can be clearly seen through the different accident analysis. It has been shown that adverse road conditions, tire defects or their combination play an important role in road accidents. Moreover the decrease in the number of fatalities, provided that the entire car fleet is equipped with intelligent tire systems, could be significantly improved by preventing at least 10 % of accidents. This would mean that over 4 000 life’s could be saved every year in European countries. The first part of this thesis presents is the TPM (Tire Pressure Monitoring) System, which corresponds to a wireless radiofrequency transmission between a transmitter module (TX) in each tire of the car and a fixed central receiver (RX). The transmitter, next called "Wheel Unit", is composed with different electronic sensors (temperature, pressure, acceleration...) for the detection of the tire inflation status. The data are collected by the receiver where the different wheel unit frames from each tire is decoded by the control unit. Then a graphical display informs the driver with the required pressure and temperature variations. The second investigated system is the wireless car access, which operate the bilateral link LF /RF, by sending the different commands at 315 MHz or 434 MHz. The signals are related to an electronic code featuring the key to control the vehicle (lock/unlock of doors and the trunk release, start of the engine,…). The automotive PAssive Start and Entry system (PASE) module generates a low frequency wake-up message (at 125 kHz) from the car towards the badge, and a RF challenge signal communicates back from the badge to the car at triggering event. The free radio license frequency of 434MHz is chosen for this study. The RF radio-link budget is a keystone of the overall system reliability: the carrier propagation between the wheel unit and the receiver must be effective whatever the ground composition, whatever the angular position or speed of the wheel unit, for each of the four wheel units. Moreover, the system must be insensitive to RF interferences. The transmission between the wheel units and the receiver is tricky because of the many parameters involved. These environment and operating considerations increase the radio-link budget complexity, and contribute to degrade the global transmission quality of the TPM system. The major parameters that impact the TPMS efficiency: System parameters: the system design affects the transmission performances. The frame structure, the modulation schemes and code lines contribute directly or indirectly to increase the BEP (Bit Error Probability), thus the choice of an efficient system strategy is indispensable for the TPMS. Radiofrequency channel: The car body affects considerably the wave propagation, because the data link is not a line-of-sight, and the channel varies rapidly according to the wheel unit positions and the wave trajectories. So, due to the complex and variable environment, the main characteristics of emitted waves also change in phase and power and it produces both destructive and constructive behaviors. Receiver: generally it can be posed near the metallic structure of the car, so the antenna pattern can be corrupted. RF Source effects. To ensure the good reception of the data transmitted from the sensors, a good knowledge of our wireless radio-link channel is mandatory. Thus, the transmitter part of the system must be properly described: the RF source characterization for TPMS –Tire Pressure Monitoring System- is discussed in this thesis. We proposed in the first part an original approach to characterize the source, from the transmitter antenna to the whole wheel system: thus the influence of each element (lumped antenna + rim + tire) is quantified once embedded in the antenna. Several experimental studies are performed in far and near field conditions for a complete characterization.

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.

An experimental investigation of an M level (M = 16, 64 and 256) Quadrature Amplitude Modulation (QAM) transmission system suitable for video transmission is presented. The communication system is based on layered video coding and unequal error protection to make the video bitstream robust to channel errors. An implementation is described in which H.264 video is protected unequally by partitioning the compressed data into two layers of different visual importance. The partition scheme is based on a separation of the group of pictures (GoP) in the intra-coded frame (I-frame) and predictive coded frame (P frame). This partition scheme is then applied to split the H.264-coded video bitstream and is suitable for Constant Bit Rate (CBR) transmission. Unequal error protection is based on uniform and non-uniform M-QAM constellations in conjunction with different scenarios of splitting the transmitted symbol for protection of the more important information of the video data; different constellation arrangements are proposed and evaluated to increase the capacity of the high priority layer. The performance of the transmission system is evaluated under Additive White Gaussian Noise (AWGN) and Rayleigh fading conditions. Simulation results showed that in noisy channels the decoded video can be improved by assigning a larger portion of the video data to the enhancement layer in conjunction with non-uniform constellation arrangements; in better channel conditions the quality of the received video can be improved by assigning more bits in the high priority channel and using uniform constellations. The aforementioned varying conditions can make the video transmission more successful over error-prone channels. Further techniques were developed to combat various channel impairments by considering channel coding methods suitable for layered video coding applications. It is shown that a combination of non-uniform M-QAM and forward error correction (FEC) will yield a better performance. Additionally, antenna diversity techniques are examined and introduced to the transmission system that can offer a significant improvement in the quality of service of mobile video communication systems in environments that can be modelled by a Rayleigh fading channel.

Τα ασύρματα συστήματα τέταρτης γενιάς (4G) στοχεύουν σε πολύ υψηλές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων, 100 Mbps (Mega bits per second) για ταχέως κινούμενους πομποδέκτες και έως 1 Gbps για ακίνητους. Αυτός ο στόχος μπορεί να επιτευχθεί με τα συστήματα Πολλαπλής Εισόδου-Πολλαπλής Εξόδου (Multiple Input-Multiple Output, MIMO) τα οποία χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στον πομπό και στο δέκτη. Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής (ΔΔ) εστιάζεται στην ανάλυση και βελτιστοποίηση αυτών των συστημάτων, υπό το πρίσμα των φαινομένων της σκέδασης και των διαλείψεων μικρής κλίμακας. Το αντικείμενο μελέτης συνοψίζεται στις ακόλουθες θεματικές ενότητες: α) μοντελοποίηση των ασυρμάτων καναλιών με διαλείψεις, β) απόδοση ακριβών και εύχρηστων μαθηματικών εκφράσεων της εργοδικής (μέσου όρου) χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων που χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στο δέκτη, γ) αύξηση της εργοδικής χωρητικότητας του συστήματος ΜΙΜΟ χρησιμοποιώντας πληροφορία από το μέσο διάδοσης. Αρχικά περιγράφεται η γενική μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού που είναι αναγκαία για την κατανόηση βασικών εννοιών για την ανάλυση που θα ακολουθήσει. Αυτό έχει ως στόχο μία σύντομη περιγραφή των βασικών χαρακτηριστικών ενός οποιουδήποτε ασύρματου καναλιού και να γίνουν κατανοητές κάποιες σημαντικές έννοιες που προκύπτουν και χρησιμοποιούνται κατά κόρον στις ασύρματες επικοινωνίες. Πιο συγκεκριμένα, παρατίθενται βασικές θεωρητικές γνώσεις όπου περιγράφονται τα διάφορα προβλήματα διάδοσης, δίνοντας μια σύντομη περιγραφή των φυσικών φαινομένων που εμπλέκονται, χωρίς να εμβαθύνουμε σε πολύπλοκες μαθηματικές σχέσεις. Στη συνέχεια, γίνεται προσπάθεια ακριβέστερης μοντελοποίησης, με χρήση στοχαστικών διαδικασιών, των ασύρματων μη επιλεκτικών στη συχνότητα καναλιών με διαλείψεις (frequency non-selective fading channels) σε περιβάλλον τρισδιάστατης ανισοτροπικής σκέδασης καναλιού Rice. Με τον όρο ανισοτροπική εννοείται ότι η λήψη των διαφόρων συνιστωσών για το αζιμούθιο επίπεδο γίνεται από κάποιους τομείς γωνιών και όχι από όλες τις κατευθύνσεις, ενώ στο επίπεδο της ανύψωσης θεωρούμε την ύπαρξη ενός τομέα άφιξης των συνιστωσών στον οποίο η ισχύς δεν κατανέμεται ομοιόμορφα αλλά βάσει μιας κατανομής. Επιπλέον λόγω της θεώρησης καναλιού Rice, συμπεριλαμβάνεται η ύπαρξη μιας δεσπόζουσας συνιστώσας με σταθερό πλάτος η οποία συνήθως προέρχεται από οπτική επαφή του πομπού με το δέκτη. Θεωρώντας συγκεκριμένες κατανομές για την άφιξη των συνιστωσών σε αυτούς τους τομείς από τη διεθνή βιβλιογραφία, εξάγεται αναλυτικά η συνάρτηση της αυτοσυσχέτισης και το φάσμα της ολίσθησης των συχνοτήτων σε αναλυτική μορφή και υπολογίζονται σημαντικά μεγέθη που εκφράζουν την ταχύτητα αυξομείωσης του σήματος και τη διάρκεια των διαλείψεων. Επιπλέον με αυτό τον τρόπο είναι δυνατόν να καθοριστεί η απόσταση μεταξύ των κεραιών που πρέπει να τηρείται ώστε να εξασφαλίζονται οι υψηλές επιδόσεις. Σε αστικό περιβάλλον, αποδεικνύεται ότι η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των κεραιών ενός πομποδέκτη θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από ότι σε ένα υπαίθριο περιβάλλον. Στην επόμενη ενότητα επιτυγχάνεται η απόδοση ακριβών και εύχρηστων μαθηματικών εκφράσεων της εργοδικής (μέσου όρου) χωρητικότητας των ασύρματων συστημάτων που χρησιμοποιούν πολλές κεραίες στο δέκτη σε περιβάλλον Nakagami (που θεωρείται από τα πιο αντιπροσωπευτικά για την περιγραφή της ασύρματης διάδοσης σε κλειστούς χώρους) με όσο το δυνατό απλούστερες μαθηματικές συναρτήσεις. Με αυτό τον τρόπο, η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων εκφράζεται συναρτήσει των φυσικών παραμέτρων του συστήματος, δηλαδή το κανάλι, τον αριθμό των κεραιών κτλ. Ήδη έχουν γίνει πολλές δημοσιεύεις σε αυτό τον τομέα για διάφορες περιπτώσεις μοντελοποίησης των καναλιών (Rayleigh, Rice κτλ) και για διάφορες τεχνικές λήψης. Όμως υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις όπου υπάρχουν κενά στη διεθνή βιβλιογραφία ή η έκφραση της χωρητικότητας δεν γίνεται με κλειστές μαθηματικές μορφές. Έτσι παρουσιάζονται αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις της εργοδικής χωρητικότητας των συστημάτων SIMO που δεν υπήρχαν έως τώρα στη διεθνή βιβλιογραφία, για διάφορες περιπτώσεις γνώσης του καναλιού. Αυτό γίνεται κάνοντας τον άμεσο παραλληλισμό των συστημάτων SIMO με τις διάφορες τεχνικές διαφορισμού. Εξετάζεται η εργοδική χωρητικότητα ενός συστήματος SIMO το οποίο λειτουργεί σε κανάλι διαλείψεων Nakagami-m στο οποίο όλες οι ζεύξεις είναι ανεξάρτητες αλλά δεν είναι κατά ανάγκη όμοιες. Συγκεκριμένα εξάγονται μαθηματικές εκφράσεις κλειστού τύπου για την εργοδική χωρητικότητα συστημάτων Equal Gain Combining και Selection Combining και Switch and Stay Combining δύο κλάδων. Επιπλέον, παρουσιάζεται για πρώτη φορά, η εργοδική χωρητικότητα ενός συστήματος SIMO στο οποίο δεν εφαρμόζεται καμία τεχνική διαφορικής λήψης και εξάγονται πολύ διδακτικά συμπεράσματα. Αυτό σημαίνει ότι ο δέκτης δεν έχει καμία πληροφορία για το κανάλι (no channel state information CSI) και απλά προσθέτει τα λαμβανόμενα σήματα από κάθε κλάδο-ζεύξη. Επιπλέον γίνεται προσπάθεια οι μαθηματικοί τύποι να είναι εύχρηστοι και υλοποιήσιμοι χωρίς την χρήση ιδιαίτερων μαθηματικών λογισμικών. Ουσιαστικά η μαθηματική έκφραση της χωρητικότητας των συστημάτων SIMO σε κανάλι διαλείψεων Nakagami-m, ανάγεται στην επίλυση ενός είδους ολοκληρώματος που περιέχει ταυτόχρονα τη λογαριθμική συνάρτηση, την εκθετική συνάρτηση και πολυώνυμα νιοστής δύναμης. Αυτός ο τύπος ολοκληρωμάτων είναι δυσεπίλυτος και προκύπτει συχνά στις ασύρματες επικοινωνίες. Στην τελευταία ενότητα, γίνεται προσπάθεια αύξησης του μέσου όρου της χωρητικότητας του συστήματος ΜΙΜΟ χρησιμοποιώντας πληροφορία από το μέσο διάδοσης. Πιο συγκεκριμένα μελετάται η πολιτική εκπομπής, αν ο πομπός γνωρίζει τις παραμέτρους του καναλιού οι οποίες είναι δυνατό να γνωστοποιηθούν στον πομπό σε ρεαλιστικό επίπεδο. Ως παράμετροι του καναλιού οι οποίες είναι απαραίτητο να είναι γνωστές, θεωρούνται ο μέσος όρος και η διασπορά του καναλιού που είναι δυνατό να μετρηθούν στην πράξη ιδιαίτερα για κανάλια που δε μεταβάλλονται πάρα πολύ γρήγορα στο χρόνο. Το πρόβλημα της μεγιστοποίησης της εργοδικής χωρητικότητας, στην γενική του μορφή έως τώρα αντιμετωπίζεται μόνο με χρονοβόρες υπολογιστικές μεθόδους που απαιτούν αρκετή υπολογιστική ισχύ, καθιστώντας τη λύση μη εφαρμόσιμη σε πραγματικό χρόνο και επομένως μη ρεαλιστική. Το πρόβλημα είναι δυσεπίλυτο και οι μόνες αναλυτικές λύσεις που υπάρχουν αναφέρονται σε ιδιαίτερες περιπτώσεις. Η παρούσα ΔΔ ασχολείται με τη μεγιστοποίηση της εργοδικής χωρητικότητας του συστήματος MISO (Multiple Input-Single Output) το οποίο χρησιμοποιεί την τεχνική beamforming στην εκπομπή. Το πρόβλημα επιλύεται και η λύση του ανάγεται στη λύση ενός συστήματος δύο εξισώσεων το οποίο λύνεται αριθμητικά. Έτσι είναι δυνατή η μεγιστοποίηση της χωρητικότητας σε πραγματικό χρόνο χωρίς ιδιαίτερη υπολογιστική ισχύ. Έως τώρα η προσέγγιση αυτού του προβλήματος γίνεται αποκλειστικά με αλγορίθμους μεγιστοποίησης μη γραμμικού προγραμματισμού. Επιπλέον εξετάζοντας τη λύση του απλού συστήματος , εξάγονται καθολικά συμπεράσματα που εκφράζουν το γενικό πρόβλημα. Για τη μεγιστοποίηση του συστήματος MISO beamforming, απαιτήθηκε η διανυσματική ανάλυση του μέσου όρου του καναλιού και του διανύσματος beamforming του πομπού σε μία κατάλληλη ορθοκανονική βάση. Έτσι το πρόβλημα ανάγεται στην εύρεση των γωνιών που σχηματίζει το διάνυσμα beamforming με την ορθοκανονική βάση ώστε να μεγιστοποιείται η χωρητικότητα για δεδομένες παραμέτρους του καναλιού. Με αυτή τη μέθοδο το πρόβλημα επιλύεται πολύ εύκολα με αριθμητικές μεθόδους. Αυτό δίνει, πέρα από την ίδια τη λύση, τη δυνατότητα να γίνει σύγκριση και με υπάρχουσες μεθόδους που προσέγγιζαν τη λύση, όπως η μεγιστοποίηση του σηματοθορυβικού λόγου (Signal to Noise Ratio, SNR). Επίσης αποδεικνύεται ότι το λαμβανόμενο SNR στο δέκτη επηρεάζει το διάνυσμα beamforming που μεγιστοποιεί την χωρητικότητα. Λαμβάνοντας υπόψη όλα αυτά, προτείνεται ένας κανόνας για την πολιτική εκπομπής του πομπού. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην επίλυση του γενικότερου προβλήματος της μεγιστοποίησης της χωρητικότητας σε συστήματα ΜΙΜΟ. / 4G Wireless Communication Systems aim at high data rates, 100 Mbps (Mega bits per second) for high speed transceivers and up to 1 Gbps for stationary transceivers. This target can be accomplished with Multiple Input Multiple Output (MIMO) Systems which use multiple antennas at both the transmitter and the receiver. The subject of this Philosophy Diploma (PhD) dissertation focuses on analysis and optimization of these systems, taking into account the effects of small scale fading and scattering which occur in a wireless channel. The subject of this study is summarized in the following thematic units: a) Fading channel modelling b) Closed-form mathematical expressions for the ergodic capacity of wireless systems which use multiple antennas at the receiver c) increase MISO ergodic capacity through channel state information. Initially, the general wireless fading channel model is described which is necessary for the better understanding of the analysis used in this dissertation. This aims at a brief description of the basic characteristics of the wireless channel. Specifically, general theoretical knowledge of propagation channel is presented, giving a description of the phenomena occurring in the channel without presenting complex mathematical expressions. Next, using stochastic procedures, an accurate model of frequency non-selective Rician fading channel with 3 dimensional anisotropic scattering is presented. The term anisotropic means that the arrival of the multipath components comes from some specific sectors and not from any direction. In the elevation plane, we assume a sector for the arrival of the multipath components in which power does not arrive uniformly but follows a specific distribution. In addition, assuming a communication system operating in a Rice fading channel, a dominant component is included which usually represents the Line of Sight (LOS) component between the transmitter and the receiver. Taking into account international literature and assuming specific probability density functions for the angle of arrivals in these sectors, analytical mathematical expressions of the auto-correlation function and the power spectral density of the received signal are derived. Moreover important measures of the level crossing rate and the average duration of fades are calculated. By this analysis, the system designer is able to estimate the optimal distance between antennas in order to assure high performance of the communication system. It is proved that the distance between antennas should be greater in rural than in urban environments. In the next section, accurate closed-form mathematical expressions for the ergodic capacity of SIMO (Single Input Multiple Output) systems in Nakagami fading channel are derived with the help of known and easy to use mathematical functions (Nakagami fading is appropriate for indoor channel modelling). Thus channel capacity is expressed with respect to the physical system parameters such as: amount of fading, number of antennas etc. Many studies have been published for different cases of fading channel models (Rayleigh, Rice, etc) and diversity techniques. But for some cases there are no mathematical expressions for the ergodic capacity or it is expressed in a no closed form way. Thus in this study, new analytical mathematical expressions for the ergodic capacity of SIMO systems with different channel knowledge cases are derived. Also the relation between diversity techniques and SIMO systems is taken into account. We assume that the SIMO system operates in a Nakagami fading channel where each branch is statistically independent but not identically distributed. More precisely, new ergodic capacity formulas for dual Equal Gain Combining, Selection Combining and Switch and Stay Combining techniques are presented. In addition, a new mathematical formula for the ergodic capacity of a SIMO system with no channel knowledge is presented, resulting in useful conclusions. All these mathematical expressions are calculated with mathematical functions that are included in any mathematical software. Essentially, the calculation of the ergodic capacity of SIMO systems in Nakagami fading channels entails the calculation of an integral which contains the logarithmic function, the exponential function and n power polynomials. This type of integral is intractable and arises frequently in wireless communications. In the last section, the ergodic capacity of a MIMO channel using channel state information is studied. In particular, this dissertation studies the transmit strategy if the transmitter knows the statistical parameters of the channel which is feasible in a realistic scenario. The statistical parameters of the channel that have to be transferred to the transmitter are channel mean and covariance. These parameters can be measured in practice especially for low time variant channels. Transmitter optimization problem, in its general form, is tackled only with hard optimization methods which are not feasible for real time applications due to large processing time. The problem is intractable and the only analytical solutions in literature are referred to special cases. The current dissertation studies the ergodic capacity optimization problem of a MISO (Multiple Input-Single Output) system which uses beamforming as its transmit strategy. The problem is solved through a system of two equations which is solved numerically. Thus the problem is extremely simplified and beamforming capacity optimization is feasible even for real time applications. So far this problem was tackled with non linear programming optimization methods. Also examining the solution for the MISO system, it is provided intuition into the problem. Also general results are presented which express the general problem. Beamforming capacity optimization solution was achieved by following an analytical approach that projects the beamforming vector on an appropriate orthonormal basis defined by the eigenvectors of the channel covariance matrix. Thus the problem reduces to calculation of the angles between the beamforming vector and the orthonormal basis which maximize capacity for given channel parameters. Following this method, the problem is solved very easily through numerical root finding algorithms. Besides the solution itself, a comparison against existing approximate solutions is possible, e.g. SNR (Signal to Noise Ratio) maximization solution. It is proved that the optimal beamforming vector is dependent on the received SNR. Taking into account all the arising results, a rule of thumb for the transmit policy is proposed. In addition, the used method can help significantly towards the solution of the MIMO transmitter optimization problem.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται τεχνικές μετάδοσης σε ασύρματα συστήματα επικοινωνιών και μελετάται η επίδοσή τους με χρήση προσομοιώσεων. Κύριος στόχος είναι η παρουσίαση και η μελέτη τεχνικών ποικιλότητας, που χρησιμοποιούνται στα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών, ώστε να αντιμετωπιστούν οι διαλείψεις του καναλιού και να βελτιωθεί η αξιοπιστία της επικοινωνίας. Αρχικά, εισάγεται το μοντέλο του ασύρματου καναλιού ως ένα σύστημα και εξετάζεται το φαινόμενο των διαλείψεων που επηρεάζει τη διάδοση του σήματος. Παρουσιάζονται, επίσης, πιθανοτικά μοντέλα του ασύρματου καναλιού, τα οποία χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του καναλιού και για τη σχεδίαση ασύρματων συστημάτων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται συνοπτικά διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης και μελετάται, μέσω προσομοιώσεων, η απόδοση ασύρματων συστημάτων που χρησιμοποιούν μία κεραία σε πομπό και δέκτη (SISO) για μετάδοση μέσω καναλιού Λευκού Προσθετικού Γκαουσιανού Θορύβου (AWGN) και μέσω καναλιού Rayleigh επίπεδων διαλείψεων. Ακολουθεί η παρουσίαση και η μελέτη τεχνικών ποικιλότητας (diversity), που εφαρμόζονται είτε στον πομπό συστημάτων με πολλές κεραίες στον πομπό και μία κεραία στο δέκτη (MISO) είτε στο δέκτη συστημάτων με μία κεραία στον πομπό και πολλές κεραίες στο δέκτη (SIMO) και έχουν ως στόχο τη βελτίωση της επίδοσης των συστημάτων σε περιβάλλοντα διαλείψεων. Συγκεκριμένα, μελετώνται οι τεχνικές Maximal Ratio Combining (MRC) και selective combining για χρήση σε δέκτες συστημάτων SIMO, καθώς και η τεχνική Maximal Ratio Transmission (MRT) και ο χωροχρονικός κώδικας Alamouti για χρήση σε πομπούς συστημάτων MISO. H εργασία ολοκληρώνεται με τη σύγκριση των τεχνικών ως προς το κέρδος ισχύος (power gain) και το κέρδος ποικιλότητας (diversity gain) που επιτυγχάνουν. / The topic of this thesis is the study of transmission techniques for wireless communication systems and the evaluation of their performance using simulations. The main goal is to present and study diversity techniques, which are employed in wireless communications systems in order to address the effects of channel fading and improve the reliability of communication. First, the system model of the wireless channel is introduced, and the impact on the fading effect on the propagation of the signals is examined. Moreover, probabilistic models are presented for the wireless channel, which are used for the prediction of the behavior of the channel and for the design of wireless communication systems. Then modulation techniques are presented and their performance is evaluated for wireless systems that employ one antenna at both the transmitter and the receiver (SISO) and transmit over the Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel and the flat-fading Rayleigh channel. The study of SISO systems is followed by the presentation of diversity techniques that are used either at the transmitter of systems with many antennas at the transmitter and one antenna at the receiver (MISO) or at the receiver of systems with a single antenna at the transmitter and many antennas at the receiver (SIMO). Diversity techniques aim at improving the performance of wireless systems in fading environments. More precisely, the Maximal Ratio Combining (MRC) and the Selective Combining technique are studied for use at receivers of SIMO systems, whereas the Maximal Ratio Transmission (MRT) technique and the Alamouti space-time code are considered for transmitters of MISO systems. The thesis concludes with a comparison of the power gain and the diversity gain that is achieved by the diversity techniques.

Abstract This dissertation presents wideband and multi-element antennas for mobile applications. It is divided into the following main parts: modal theory, wideband antennas, multi-element antennas, and wideband multi-element antennas. The radiating fields are first studied in terms of spherical scalar and vector modes, and it is shown how these modes correlate with the characteristic current modes on a planar mobile ground plane. The theory part shows how it is possible to excite the same modes on a conventional sphere and a rectangular planar mobile ground plane. The theory refers to the novel wideband antenna structures presented in this dissertation, in terms of current and radiating modes. After studying the modes, the dissertation shows how to excite a radiating antenna mode within a wide frequency bandwidth. To gain this, two main approaches are taken. First, a quasi-complementary antenna (QCA) structure with an electric conductor and magnetic slot is presented, and its characteristics are studied. A QCA UWB antenna, and a QCA element excited with a monopole or a dipole, is presented. The QCA structure compensates for the imaginary part of the input impedance on wide frequency bandwidth, when, at the same time, the fundamental mode is excited to ensure good radiating properties. The second approach uses a symmetrical feeding with two antenna elements to gain a wide frequency bandwidth, the relative -6 dB impedance bandwidth between 37.5–80%. When a field is symmetrically coupled to the conducting ground plane, the excitation avoids the awakening of higher order modes which might disturb the performance of the antenna. It is also shown, by using multiple feeding elements, that the excitation of orthogonal higher order modes on a small radiating ground plane is possible. As the modes are orthogonal to each other, they present a very low correlation. By using this kind of approach, radiation pattern diversity can be obtained in mobile applications within a small volume. On the other hand, when combining two QCA elements to a one multi-element antenna structure, a wideband diversity antenna with an 87.5% relative -6 dB impedance bandwidth, and a wideband MIMO antenna with a 95.0% relative -6 dB impedance bandwidth, are presented with excellent radiation and correlation properties. Also mutual coupling is need to be counted when multi-element antennas are designed. When designing an efficient radiator, it is important to consider an antenna feeding in terms of wideband impedance matching and wideband baluns, not to spoil the antenna performance. The efficient antenna structures and feeding mechanisms are obtained by using commercial 3D electromagnetic simulators to find the desired wideband antenna characteristics. Prototype antennas are measured in most of the presented structures to show their functionality in real. In general, the dissertation presents wideband antenna structures with radiating antenna modes excited on a planar conducting ground plane. The idea is to find structures and feeding mechanisms to excite the fundamental mode, or a certain radiating antenna mode, at a wide frequency bandwidth, by avoiding the excitation of higher order modes which might disturb the antenna performance. It is also shown that, by using multiple feeding elements, it is possible to excite higher order modes on a small antenna. / Tiivistelmä Väitöskirjassa esitetään uusia laajakaistaisia ja monielementtiantenneja matkaviestimiin. Väitöskirja koostuu neljästä pääalueesta: pintavirtojen muototeoria, laajakaistaiset antennit, monielementtiantennit sekä laajakaistaiset monielementtiantennit. Teoriaosassa säteilykenttiä on aluksi tutkittu pallon pinnalla sekä skalaaripotentiaaleina että pintavirtavektoreina, jonka jälkeen niitä on verrattu mobiilin laitteen maatason ominaispintavirtojen synnyttämiin säteilykenttiin. Teoriaosassa osoitetaan, että pallon pinnalla sekä tasomaisella suorakaiteen muotoisella pinnalla on mahdollista herättää samat säteilykentät. Myöhemmin väitöskirjassa esitettävien uudenlaisten antennirakenteiden ominaisuuksia verrataan teoriaosassa esitettyihin pintavirtoihin ja säteilykenttiin. Teoriaosuuden jälkeen osoitetaan miten säteilevä sähkömagneettinen kenttä saadaan herätettyä laajalla taajuusalueella. Tähän on otettu kaksi eri lähestymistapaa, joista ensimmäisessä esitellään ja tutkitaan kvasikomplementaarista antennirakennetta (QCA). Kvasikomplementaarisessa antennirakenteessa sisääntuloimpedanssin imaginaariosa kompensoidaan yhdistämällä sähköinen johde ja magneettinen rako samaan antenniin. Samanaikaisesti perusmuoto herätetään laajalla taajuusalueella, jolla varmistetaan antennin hyvät säteilyominaisuudet koko toimintataajuusalueella. Toisessa lähestymistavassa käytetään kahta symmetrisesti asetettua antennielementtiä, joita syötetään symmetrisesti samalla amplitudilla ja vaiheella. Kun sähkömagneettinen kenttä herätetään symmetrisesti, korkeamman kertaluvun muotojen herättäminen voidaan välttää laajalla taajuusalueella. Symmetrisesti syötetyillä antennirakenteilla saavutettu -6 dB suhteellinen impedanssikaistanleveys on 37.5–80 %. Useita syöttöelementtejä käytettäessä voidaan mobiilin laitteen maatasossa herättää yhdellä pistetaajuudella monta toisistaan riippumatonta säteilykenttää. Koska herätetyt kentät ovat toisistaan riippumattomia, on niiden välinen korrelaatio myös pieni. Kyseisellä rakenteella on mahdollista toteuttaa säteilykuviodiversiteetti erittäin pienessä tilassa, kuten matkapuhelimessa. Toisaalta, kun yhdistetään kaksi QCA-elementtiä yhdeksi monielementtiratkaisuksi, voidaan toteuttaa laajakaistainen diversiteettiantenni, jonka suhteellinen -6 dB impedanssikaistanleveys on 87.5 %. Vastaavasti kahdella laajakaistaisella QCA-elementillä toteutetulla MIMO-ratkaisulla päästään 95 % suhteelliseen -6 dB impedanssikaistanleveyteen. Molemmilla ratkaisuilla on erittäin hyvät säteilyominaisuudet sekä alhainen korrelaatio ja pieni keskinäiskytkentä antennielementtien välillä. Suunniteltaessa toimivaa laajakaistaista antennirakennetta, on tärkeää ottaa huomioon antennisyötön impedanssisovitus, jotta antennin suorituskyky ei heikkenisi. Lisäksi balansoidussa rakenteissa tulee olla laajakaistainen baluni, jolla vältetään säteilykuvion vääristyminen. Väitöskirjan syöttöratkaisuissa on käytetty kaupallisia sähkömagneettisia simulaattoreita, joilla antennirakenne voidaan mallintaa kolmiulotteisesti, ja joilla laajakaistainen syöttö saadaan optimoitua haluttuun antenniin. Suurin osa esitellyistä antennirakenteista on simulointien lisäksi myös mitattu, jolloin niiden toimivuus käytännössä pystytään todentamaan rakentamalla prototyyppiantenni. Yleisesti väitöskirjassa esitellään tasomaisia antenniratkaisuja johtavassa maatasossa, joissa säteilevät pintavirrat herätetään mahdollisimman laajalla taajuusalueella. Ideana on löytää laajakaistaisia antenni- ja syöttörakenteita, joilla saadaan herätettyä perusmuoto tai jokin muu haluttu muoto. Ajatuksena on välttää korkeamman kertaluvun muotojen herättäminen, jotka voivat pilata antennin suorituskyvyn. Väitöskirjassa osoitetaan myös, että pienikokoisella antennilla on mahdollista herättää korkeamman kertaluvun muotoja pistetaajuudella käyttämällä useita heräte-elementtejä.

Explosive growth in wireless technology caused by development in digital and RF circuit fabrications put some serious challenges on wireless system designers and link budget planning. Low transmit power, system coverage and capacity, high data rates, spatial diversity and quality of services (QOS) are the key factors in future wireless communication system that made it attractive. Dual-hop relaying is the promising underlying technique for future wireless communication to address such dilemmas. Based on dual-hop relaying this thesis addresses two scenarios. In the first case the system model employs dual-hop amplify and forward (AF) multiple input multiple output (MIMO) relay channels with transmit and receive antenna selection over independent Rayleigh fading channels where source and destination contain multiple antennas and communicate with each other with help of single antenna relay. It is assumed that the source and destination has perfect knowledge of channel state information (CSI). Our analysis shows that full spatial diversity order can be achieved with minimum number of antennas at source and destination i.e. min{N_s N_d }. In the second case the performance analysis of dual-hop amplify and forward (AF) multiple relay cooperative diversity network with best relay selection schemes over Rayleigh fading channels is investigated where the source and destination communicate with each other through direct and indirect links. Only the performance of best relay is investigated which participates in the transmission alone. The relay node that achieves highest SNR at the destination is selected as a best relay. Once again our analysis shows that full diversity order can be achieved with single relay with fewer resources compare to the regular cooperative diversity system. / Muhammad Adeel Islam 0046 700 412 343

An experimental investigation of an M level (M = 16, 64 and 256) Quadrature Amplitude Modulation (QAM) transmission system suitable for video transmission is presented. The communication system is based on layered video coding and unequal error protection to make the video bitstream robust to channel errors. An implementation is described in which H.264 video is protected unequally by partitioning the compressed data into two layers of different visual importance. The partition scheme is based on a separation of the group of pictures (GoP) in the intra-coded frame (I-frame) and predictive coded frame (P frame). This partition scheme is then applied to split the H.264-coded video bitstream and is suitable for Constant Bit Rate (CBR) transmission. Unequal error protection is based on uniform and non-uniform M-QAM constellations in conjunction with different scenarios of splitting the transmitted symbol for protection of the more important information of the video data; different constellation arrangements are proposed and evaluated to increase the capacity of the high priority layer. The performance of the transmission system is evaluated under Additive White Gaussian Noise (AWGN) and Rayleigh fading conditions. Simulation results showed that in noisy channels the decoded video can be improved by assigning a larger portion of the video data to the enhancement layer in conjunction with non-uniform constellation arrangements; in better channel conditions the quality of the received video can be improved by assigning more bits in the high priority channel and using uniform constellations. The aforementioned varying conditions can make the video transmission more successful over error-prone channels. Further techniques were developed to combat various channel impairments by considering channel coding methods suitable for layered video coding applications. It is shown that a combination of non-uniform M-QAM and forward error correction (FEC) will yield a better performance. Additionally, antenna diversity techniques are examined and introduced to the transmission system that can offer a significant improvement in the quality of service of mobile video communication systems in environments that can be modelled by a Rayleigh fading channel.

No description available.