Demand for capacity in wireless communication systems has been rapidly growing world- wide. This has been driven by increasing data rate requirements of cellular mobile systems, and demand for wireless Internet and multimedia services. As the available radio spec- trum is limited, higher data rates can only be achieved by designing more efficient signaling techniques. In this thesis, we propose a new transmission scheme, which benefits from the advantages of conventional space-time trellis codes (CSTTCs) but does not have the disadvantages, especially for larger signal constellations. We achieve this by developing a new class of codes, called Multilevel Space-Time Trellis Codes (IMLSTTC). The new scheme provides a scalable and promising alternative to CSTTCs, by providing the system designer with the flexibility to choose any desired balance between code performance, complexity and throughput. The proposed scheme outperforms layered schemes at high SNRs, using a smaller number of antennas.

Adaptive modulation and diversity combining represent very important adaptive solutions for future generations of wireless communication systems. Indeed, to improve the performance and the efficiency of these systems, these two techniques recently have been used jointly in new schemes named joint adaptive modulation and diversity combining (JAMDC) schemes. Considering the problem of finding lowcomplexity, bandwidth-efficient, and processing-power efficient transmission schemes for a downlink scenario and capitalizing on some of these recently proposed JAMDC schemes, we propose and analyze three fully joint adaptive modulation, diversity combining, and power control (FJAMDC) schemes. More specifically, the modulation constellation size, the number of combined diversity paths, and the needed power level are determined jointly to achieve the highest spectral efficiency with the lowest possible combining complexity, given the fading channel conditions and the required bit error rate (BER) performance. The performance of these three FJAMDC schemes is analyzed in terms of their spectral efficiency, processing power consumption, and error-rate performance. Selected numerical examples show that these schemes considerably increase the spectral efficiency of the existing JAMDC schemes with a slight increase in the average number of combined paths for the low signal to noise ratio range while maintaining compliance with the BER performance and a low radiated power resulting in a substantial decrease in interference to co-existing systems/users.

Η έννοια της ψηφιακής αναμετάδοσης έχει μελετηθεί σαν ένα ϑεωρητικό πρόβλημα από την πλευρά της ϑεωρίας της πληροφορίας στις δεκαετίες του ’70 και ’80 όπου υπολογίστηκε η χωρητικότητα συστημάτων με ένα αναμεταδότη. Το σενάριο στο οποίο η επικοινωνία δύο τερματικών σταθμών πραγματοποείται με τη ϐοήθεια ενός τρίτου το οποίο αναλαμβάνει να αναμεταδόσει την πληροφορία, υλοποιήθηκε αρχικά στους δορυφόρους με ανακλαστική επανεκπομπή. Ενδιαφέρον, σύμφωνα με όσα γνωρίζουμε, προκαλεί το γεγονός ότι δεν υπήρχε έως πολύ πρόσφατα καμία εργασία σχετική με την ϑεωρία της αναμετάδοσης - πιο πιθανή αιτία η μη ύπαρξη σχετικών εφαρμογών. Με την ωριμότητα των ψηφιακών ασύρματων επικοινωνιών και λόγω των ϱαγδαία αυξανόμενων αναγκών για επικοινωνίες υψηλής απόδοσης, ϕαίνεται ότι έφτασε η ώρα για την ανάπτυξη ‘‘έξυπνης’’ αναμετάδοσης στο άμεσο μέλλον. Η παρούσα διδακτορική διατριβή (DD) έρχεται να συμβάλλει προς την κατεύθυνση αυ- τή και να δώσει στους μελετητές των ψηφιακών επικοινωνιών νέες τεχνικές και εργαλεία αναλύοντας και μελετώντας στο ϕυσικό επίπεδο τα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα (ή δίκτυα) πολλαπλών αλμάτων με μη-αναγεννητικούς αναμεταδότες δηλ. συστήματα στα οποία το σήμα εκπέμπεται από τον πηγαίο κόμβο και ϕθάνει στον κόμβο προορισμού διαμέσου ενός ή περισσοτέρων αναμεταδοτών. Με την τεχνική αυτή καταπολεμούμε τους δύο ϐασικούς παράγοντες υποβάθμισης του εκπεμπόμενου σήματος που είναι η μειωμένη μέση ισχύς λήψης λόγω απόστασης ή/και εμποδίων, και οι διακυμάνσεις του σήματος στη λήψη του, εξαιτίας του ϕαινομένου των διαλείψεων. Βασικός σκοπός της DD είναι η αξιολόγηση των επιδόσεων των συστημάτων πολλαπλών αλμάτων, που λειτουργούν σε περιβάλλον διαλείψεων Rayleigh ή Nakagami-m, με δείκτες επιδόσεων όπως ο μέσος λό- γος σήματος προς ϑόρυβο (ΛΣΘ), η πιθανότητα διακοπής της επικοινωνίας (ΠDΕ) και η μέση πιθανότητα σφάλματος bit (ΜΠΣΒ). Για να επιτευχθούν τα παραπάνω στα πολυαλ- ματικά συστήματα, απαιτείται η στατιστική μελέτη του απ’ άκρο-σε-άκρο ΛΣΘ στην έξο- δο του κόμβου προορισμού για την εξαγωγή σημαντικών στατιστικών συναρτήσεων όπως της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας (ΣΠΠ), της συνάρτησης αθροιστικής πιθανότητας (ΣΑΠ), της ϱοπο-γεννήτριας συνάρτησης (ΡΓΣ) και των ϱοπών. Οι δείκτες επίδοσης παρουσιάζονται είτε σε κλειστές μαθηματικές μορφές οι οποίες εξάγουν άμεσα αποτελέ- σματα, είτε σε αναλυτικές μορφές για τις οποίες η χρήση της αριθμητικής ολοκλήρωσης είναι απαραίτητη μέσω γνωστών μαθηματικών λογισμικών όπως MATHEMATICA ή MAPLE. Παράλληλα, όπου απαιτείται, παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοίωσης Monte Carlo για την επαλήθευση των αριθμητικών αποτελεσμάτων. Λαμβάνοντας υπόψην όλα τα παραπάνω, ερευνάται ένα σύστημα N αλμάτων σε περι- ϐάλλον διαλείψεων Nakagami-m και παράγονται τόσο σημαντικά αποτελέσματα για την επίδοσή τους όσο και ένα καινοτόμο στατιστικό ϑεώρημα για τη ΡΓΣ τυχαίων μεταβλητών Γάμμα. Η επίδοση των συστημάτων αυτών αξιολογείται για μη-αναγεννητικούς αναμε- ταδότες και συγκεκριμένα, τόσο για αναμεταδότες μεταβλητού κέρδους (ΑΜΚ) δηλ. το κέρδος τους εξαρτάται από την εκτίμηση της κατάστασης του καναλιού (ή κέρδος κανα- λιού) στην είσοδό τους, όσο και για αναμεταδότες σταθερού κέρδους (ΑΣΚ). Επίσης στη DD προτείνεται ένα νέος τύπου μη-αναγεννητικού αναμεταδότη, ο αναμεταδότης συνδυα- σμένου κέρδους (ΑΣυΚ), του οποίου η επίδοση εξετάζεται σε ένα σύστημα διπλού άλματος (δηλ. σ’ ένα σύστημα με έναν αναμεταδότη). Η επίδοσή του συγκρίνεται με αυτή του ΑΜΚ. Η επίδοση του ΑΣυΚ εμφανίζεται να είναι καλύτερη σε κάποιες περιπτώσεις απ’ αυτήν του ΑΜΚ. Ιδιαίτερη ϐαρύτητα δίνεται τέλος και στη μελέτη πολυαλματικών συστημάτων επικοινω- νίας με διαφορική συνεργασία χρηστών. Τα συστήματα αυτά διαφέρουν από τα συμβατικά πολυαλματικά διότι εκμεταλλεύονται τα πλεονεκτήματα της ‘‘εικονικής’’ διαφορικής εκ- πομπής στον πηγαίο κόμβο και τη διαφορική λήψη στον κόμβο προορισμού. Οι δείκτες επίδοσης εξετάζονται είτε για συστήματα διαφορικής συνεργασίας ενός χρήστη, είτε για πολλούς χρήστες με διαφορικό δέκτη συνδυασμού επιλογής ή μεγίστου λόγου στον κόμβο προορισμού, αντίστοιχα. / The concept of digital relaying has been studied as a theoretical problem from a network information theory perspective in 70’s and 80’s, and capacity regions of simple relaying channels have been evaluated. The scenario where the communication between two terminal is achieved with the help of a third terminal, was firstly implemented in bentpipe satellites. To the best of our knowledge, there has been no other analytical study on this concept until very recently due to the fact that there were no foreseeable applications at that time. With the maturity of digital wireless technologies and with the overwhelming demand for high data rate coverage, it seems that time has finally arrived for the implementation of intelligent relaying. The present PhD thesis contributes in that direction and gives to researchers of digital communications new techniques and smart tools by analyzing and studying multihop wireless communications systems in physical layer. In multihop systems, the source terminal transmits a signal which arrives to the destination terminal via a number of relays. By applying relayed transmission we mitigate two main reasons that causes Quality of Service degradation of the received signal, which are the low average receive power, induced by the presence of obstacles or by long distance, or due to the fluctuations in the received signal induced by fading effects. The main subject of this PhD is the evaluation of the performance metrics of multihop wireless communications systems, operating over Rayleigh or Nakagamim fading channels such as average signaltonoise ratio (SNR), outage probability and average biterror rate. To achieve this, the statistics of the equivalent endtoend SNR at the output of the destination terminal is required and specifically the probability density function, the cumulative distribution function, the moments and moment generating function (MGF). The performance metrics are presented either in closed forms giving direct results or in analytical ones where the results are extracted via numerical integration with the use of standard mathematical software packages such as MATHEMATICA or MAPLE. Additionally, Monte Carlo simulation results are also presented for the verification of the numerical results. Considering all the above, a multihop system with Nhops over Nakagamim environment is studied, and important performance results are derived. Also, a novel statistical result regarding the MGF of the product of rational powers of Gamma random variables is presented for the first time in the technical literature. The performance metrics of the multihop system are evaluated for nonregenerative relays and specifically, for both channel state information (CSI)based and fixed gain relays. Moreover, in this PhD thesis a new type of relay is presented, the combined gain relay (CGR), and its performance is studied in dualhop systems. The performance of the CGRs is compared to CSIbased ones whose amplification gain depends on the channel state at their input. It is interesting that CGR performs better in some situations than CSI ones. Finally, we concentrate on multihop wireless communications systems with cooperative diversity. Cooperative diversity systems differ from conventional multihop ones since exploits the benefits of virtual transmit diversity in the source terminal and diversity reception in the destination terminal. Performance analysis is conducted for cooperative diversity systems with one or more users (relays) and selection combiner or maximal ratio combiner at the destination terminal, correspondingly.

Η εργασία αυτή ασχολείται με το πρόβλημα της εκτίμησης καναλιού σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Το πρόβλημα αυτό συγκεντρώνει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, καθώς συναντάται σε ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών. Η άγνωστη συνάρτηση μεταφοράς του καναλιού στα ασύρματα συστήματα μετάδοσης, καθιστά απαραίτητη την εκτίμησή του πριν από οποιαδήποτε διαδικασία μετάδοσης. Στη συγκεκριμένη μεταπτυχιακή εργασία, αντικείμενο εξέτασης αποτελεί η επίδραση καναλιού με μη γραμμικά χαρακτηριστικά σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Αρχικά, παρουσιάζεται ένας βελτιωμένος αλγόριθμος εκτίμησης καναλιού, ο οποίος βασίζεται σε ένα παραμετρικό μοντέλο. Η απόκριση συχνότητας του καναλιού εκτιμάται χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο με L μονοπάτια. Γίνεται χρήση της μεθόδου ESPRIT για την αρχική εκτίμηση των πολυδρομικών καθυστερήσεων, ενώ η διαδικασία παρακολούθησης γίνεται με την τεχνική IPIC DLL. Με γνωστή την πληροφορία για τις πολυδρομικές καθυστερήσεις, εκτιμάται η απόκριση του καναλιού στο πεδίο της συχνότητας με τη μέθοδο του ελαχίστου μέσου τετραγωνικού σφάλματος. Ιδιαίτερης μνείας χρήζει το κριτήριο MDL (Minimum Description Length) που χρησιμοποιείται για την εύρεση των ενεργών μονοπατιών του καναλιού. Σύμφωνα με το κριτήριο, υπολογίζεται ο ιδιοχώρος, δηλαδή οι ιδιοτιμές και τα ιδιοδιανύσματα, του πίνακα αυτοσυσχέτισης του καναλιού. Ο ιδιοχώρος αυτός εμφανίζει ιδιαίτερη δομή και μπορεί να αναλυθεί σε κάθετους μεταξύ τους υποχώρους: τον υποχώρο του σήματος (signal subspace) και αυτόν του θορύβου (noise subspace). Έχει αποδειχθεί ότι η χρήση παραμετρικού μοντέλου καναλιού μπορεί να μειώσει δραστικά τις διαστάσεις του υποχώρου του σήματος και κατά συνέπεια να βελτιώσει την απόδοση της εκτίμησης του καναλιού. Στη συνέχεια εξετάζεται η δυνατότητα εφαρμογής του αλγόριθμου PAST κατά τη διαδικασία παρακολούθησης των πολυδρομικών καθυστερήσεων και η σύγκρισή του με την απόδοση του IPIC DLL. Ο αλγόριθμος PAST έχει χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα καθώς στηρίζεται σε αναδρομικές τεχνικές παρακολούθησης του ιδιοχώρου. Στα πλαίσια της μεταπτυχιακής εργασίας έγινε συγκριτική μελέτη των τεχνικών εκτίμησης καναλιού σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά των κυριότερων αλγορίθμων της βιβλιογραφίας και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων σε περιβάλλον MATLAB. Με βάση τη θεωρητική μελέτη των μεθόδων εκτίμησης και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, εξάγονται συμπεράσματα για τη βελτίωση της απόδοσης που παρουσιάζουν σε σχέση με τις μη παραμετρικές τεχνικές. Τέλος, υλοποιήθηκε ένας νέος αλγόριθμος για την εύρεση του υποχώρου του σήματος, ο οποίος βελτιώνει σημαντικά την απόδοση του κριτηρίου MDL. / The basic concept in this thesis is the problem of Channel Estimation in multipath fading chanels. The method we use is based on parametric channel modeling. Firstly, we use the MDL (Minimum Descreption Length) criterium in order to estimate the number of paths in the channel. Next the ESPRIT method calculates the Time Delays for every estimated path. The second part of the algorithm is used for tracking of time delays. We firstly use an IPIC DLL (InterPath Interference Cancellation Delay Locked Loop) technique and then the path gains are calculated via a MMSE estimator. There is also a study in Subspace Tracking problem. We use the PAST and PASTd algorithms to calculate the signal subspace for every OFDM symbol transmited. The two techniques we described increase the SER performance of the non parametric channel estimator by 2dB and the MSE performance by 5dB. We also describe a new algorithm which has better performance than the MDL criterium.

The technique of cooperative communications is finding its way in the next generations of many wireless communication applications. Due to the distributed nature of cooperative networks, acquiring fading channels information for coherent detection is more challenging than in the traditional point-to-point communications. To bypass the requirement of channel information, differential modulation together with non-coherent detection can be deployed. This thesis is concerned with various issues related to differential modulation and non-coherent detection in cooperative networks. Specifically, the thesis examines the behavior and robustness of non-coherent detection in mobile environments (i.e., time-varying channels). The amount of channel variation is related to the normalized Doppler shift which is a function of user’s mobility. The Doppler shift is used to distinguish between slow time-varying (slow-fading) and rapid time-varying (fast-fading) channels. The performance of several important relay topologies, including single-branch and multi-branch dual-hop relaying with/without a direct link that employ amplify-and-forward relaying and two-symbol non-coherent detection, is analyzed. For this purpose, a time-series model is developed for characterizing the time-varying nature of the cascaded channel encountered in amplify-and-forward relaying. Also, for single-branch and multi-branch dual-hop relaying without a direct link, multiple-symbol differential detection is developed. First, for a single-branch dual-hop relaying without a direct link, the performance of two-symbol differential detection in time-varying Rayleigh fading channels is evaluated. It is seen that the performance degrades in rapid time-varying channels. Then, a multiple-symbol differential detection is developed and analyzed to improve the system performance in fast-fading channels. Next, a multi-branch dual-hop relaying with a direct link is considered. The performance of this relay topology using a linear combining method and two-symbol differential detection is examined in time-varying Rayleigh fading channels. New combining weights are proposed and shown to improve the system performance in fast-fading channels. The performance of the simpler selection combining at the destination is also investigated in general time-varying channels. It is illustrated that the selection combining method performs very close to that of the linear combining method. Finally, differential distributed space-time coding is studied for a multi-branch dual-hop relaying network without a direct link. The performance of this network using two-symbol differential detection in terms of diversity over time-varying channels is evaluated. It is seen that the achieved diversity is severely affected by the channel variation. Moreover, a multiple-symbol differential detection is designed to improve the performance of the differential distributed space-time coding in fast-fading channels.