To support the continuously increasing number of mobile telephone users around the world, mobile communication systems have become more advanced and sophisticated in their designs. As a result of the great success with the second generation mobile radio networks, deployment of the third and development of fourth generations, the demand for higher data rates to support available services, such as internet connection, video telephony and personal navigation systems, is ever growing. To be able to meet the requirements regarding bandwidth and number of users, enhancements of existing systems and introductions of conceptually new technologies and techniques have been researched and developed. Although new proposed technologies in theory provide increased network capacity, the backbone of a successful roll-out of a mobile telephone system is inevitably the planning of the network’s cellular structure. Hence, the fundamental aspect to a reliable cellular planning is the knowledge about the physical radio channel for wide sets of different propagation scenarios. Therefore, to study radio wave propagation in typical Australian environments, the Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) and the Australian Telecommunications Cooperative Research Centre (ATcrc) in collaboration developed a cellular code division multiple access (CDMA) pilot scanner. The pilot scanner measurement equipment enables for radio wave propagation measurements in available commercial CDMA mobile radio networks, which in Australia are usually deployed for extensive rural areas. Over time, the collected measurement data has been used to characterise many different types of mobile radio environments and some of the results are presented in this thesis. The thesis is divided into an introduction section and four parts based on peer-reviewed international research publications. The introduction section presents the reader with some relevant background on channel and propagation modelling. Also, the CDMA scanner measurement system that was developed in parallel with the research results founding this thesis is presented. The first part presents work on the evaluation and development of the different revisions of the Recommendation ITU-R P.1546 point-to-area radio wave propagation prediction model. In particular, the modified application of the terrain clearance angle (TCA) and the calculation method of the effective antenna height are scrutinized. In the second part, the correlation between the smallscale fading characteristics, described by the Ricean K-factor, and the vegetation density in the vicinity of the mobile receiving antenna is investigated. The third part presents an artificial neural network (ANN) based technique incorporated to predict path loss in rural macrocell environments. Obtained results, such as prediction accuracy and training time, are presented for different sized ANNs and different training approaches. Finally, the fourth part proposes an extension of the path loss ANN enabling the model to also predict small-scale fading characteristics.

This thesis aims at proposing all the possible enhancements for the Multi-Resolution Frequency-Domain ParFlow (MR-FDPF) model. As a deterministic radio propagation model, the MR-FDPF model possesses the property of a high level of accuracy, but it also suffers from some common limitations of deterministic models. For instance, realistic radio channels are not deterministic but a kind of random processes due to, e.g. moving people or moving objects, thus they can not be completely described by a purely deterministic model. In this thesis, a semi-deterministic model is proposed based on the deterministic MR-FDPF model which introduces a stochastic part to take into account the randomness of realistic radio channels. The deterministic part of the semi-deterministic model is the mean path loss, and the stochastic part comes from the shadow fading and the small scale fading. Besides, many radio propagation simulators provide only the mean power predictions. However, only mean power is not enough to fully describe the behavior of radio channels. It has been shown that fading has also an important impact on the radio system performance. Thus, a fine radio propagation simulator should also be able to provide the fading information, and then an accurate Bit Error Rate (BER) prediction can be achieved. In this thesis, the fading information is extracted based on the MR-FDPF model and then a realistic BER is predicted. Finally, the realistic prediction of the BER allows the implementation of the adaptive modulation scheme. This has been done in the thesis for three systems, the Single-Input Single-Output (SISO) systems, the Maximum Ratio Combining (MRC) diversity systems and the wideband Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) systems.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και ο προσδιορισμός, θεωρητικός και πειραματικός, του συντελεστή Κ της Rician κατανομής σε ένα κανάλι στα 2.4 GHz. Η κατανομή Rice χρησιμοποιείται για την περιγραφή του πλάτους του λαμβανόμενου σήματος σε ένα κανάλι μετάδοσης με ισχυρή επίδραση οπτικής επαφής (Line-of-Sight) μεταξύ κεραίας πομπού και δέκτη. Ο συντελεστής Κ Rice εκφράζει τον λόγο της συνεισφοράς της ισχύος της απευθείας συνιστώσας του σήματος ως προς την συνολική λαμβανόμενη ισχύ λόγω φαινομένων διάχυσης. Χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό του καναλιού καθώς και τον υπολογισμό του BER (bit-error-ratio) και της πλέον σημαντικής παραμέτρου των τηλεπικοινωνιών SNR (Signal-to-Noise-Ratio), δηλαδή του λόγου σήματος προς θόρυβο. Στο 1ο κεφάλαιο αναλύονται και περιγράφονται μερικές από τις σημαντικότερες τεχνολογίες ασυρμάτων δικτύων, από την πρώτη στιγμή της εμφάνισής τους (δίκτυα 1ης και 2ης γενιάς) έως τα πιο σύγχρονα δίκτυα 3ης και 4ης γενιάς, και παρουσιάζονται οι ζώνες συχνοτήτων που καταλαμβάνουν αυτές οι τεχνολογίες στο διαθέσιμο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Στο 2ο κεφάλαιο μελετώνται οι 3 βασικότεροι μηχανισμοί διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος μέσα σε ένα ασύρματο κανάλι (ανάκλαση, περίθλαση, σκέδαση), περιγράφονται οι τύποι των απωλειών που υφίσταται ένα σήμα κατά την μετάδοση του και τα φαινόμενα των διαλείψεων, που παρατηρούνται πολύ έντονα σε ένα κινητό και μεταβαλλόμενο περιβάλλον διάδοσης. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή του μοντέλου ηλεκτρομαγνητικής μετάδοσης κατά Rice, δηλαδή όταν η απευθείας συνιστώσα του σήματος είναι η ισχυρότερη διαδρομή που ακολουθεί το εκπεμπόμενο σήμα κατά την πορεία του μέχρι τον δέκτη (LoS). Αναλύεται η σημαντικότερη παράμετρος αυτού του τύπου μετάδοσης, δηλαδή ο συντελεστής Κ, και παρουσιάζονται διάφορες μέθοδοι προσδιορισμού του τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά. Στο 4ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραματικών μας μετρήσεων σε διάφορες τοπολογίες μετάδοσης με LoS για ένα δίκτυο Wi-Fi, δηλαδή για συχνότητα λειτουργίας στα 2.4 GHz. Για κάθε τοπολογία, περιγράφεται πλήρως το περιβάλλον μετάδοσης καθώς και ολόκληρη η διαδικασία εκπόνησης των μετρήσεων (μετρητικά όργανα, απαραίτητο λογισμικό, τυχόν προσεγγίσεις κτλ.). Τέλος, στο 5ο και τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μια μέθοδος υπολογισμού του συντελεστή Κ μέσω των μετρήσεων και με τη βοήθεια του μοντέλου ελευθέρου χώρου, που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των συνολικών απωλειών διαδρομής του σήματος. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών χρησιμοποιήθηκαν, με την βοήθεια του Matlab, για την κατασκευή της CDF των τιμών του Κ αλλά και της γραφικής παράστασης της μεταβολής του Κ συναρτήσει της απόστασης. Οι εμπειρικές CDF συγκριθήκαν και προσεγγιστήκαν με γνωστές θεωρητικές CDF, και η συνάρτηση της μεταβολής του Κ με την απόσταση προσεγγίστηκε με όρους Goodness of Fit με την βοήθεια της γενικής μορφής γνωστών συναρτήσεων. Κλείνοντας, στην τελευταία παράγραφο της εργασίας αφήνεται περιθώριο και δίνεται τροφή για μελλοντική εργασία πάνω στην μελέτη και τον προσδιορισμό του συντελεστή Κ της Rice τόσο για εσωτερικούς όσο και για εξωτερικούς χώρους. / The main purpose of this thesis, is the analysis and estimation , theoretical and empirical, of the Rician K factor for a wireless channel at 2.4 GHz. The Rician power density function is used to describe the amplitude of the received signal when there is a strong LOS component. The Rician K factor expresses the ratio of the power component due to LOS signal propagation and the received signal power due to diffuse components (reflection, scattering, diffraction etc.). It is commonly used for the channel's characterization and the estimation of BER (bit error rate) and SNR (signal to noise ratio), a very important parameter for telecommunications. In the 1st chapter, some of the most important wireless systems are described, since their very first appearance (1G & 2G networks) until the latest 3rd and 4rth generation systems. We also present the current frequency bands and how they are spread at the given electromagnetic spectrum. In the 2nd chapter, the 3 basic propagation mechanisms (reflection, scattering, diffraction) are studied. In addition, we describe all types of signal attenuation within a wireless channel and the fading phenomena that are so commonly seen in mobile and continuously changing propagation environments. In the 3rd chapter, the Rician model of electromagnetic propagation, where LOS is the strongest path of signal components, is analyzed. The most important parameter of this propagation type, the Rician K factor, is also studied. Therefore, various methods of theoretical and empirical estimation of the K factor are presented. In the 4rth chapter, we include the results of our measurements in various LOS propagation topologies for a Wi-Fi system at 2.4 GHz. For each measurement topology, the propagation environment as well as the entire measurement procedure, are thoroughly described. Lastly, in the 5th and final chapter, a K factor estimation method based on the empirical set of data and the Free Space Model, used for the average path loss calculation, is presented. The results of our measurements via the help of the Matlab software were used in order to plot the CDF of K values as well as the K values versus d (distance) curve. Using curve fitting methods, the empirical CDFs and plots were compared to theoretical ones in terms of Goodness of Fit. In the closing section, possible future research in the aforementioned fields is proposed.

Cette thèse a pour but de proposer toutes les avancées possibles dans l’utilisation du modèle de propagation Multi-Resolution Frequency-Domain ParFlow (MR-FDPF). Etant un modèle de propagation radio déterministe, le modèle MR-FDPF possède un haut niveau de précision, mais souffre des limitations communes à tous les modèles déterministes. Par exemple, un canal radio réel n’est pas déterministe, mais un processus aléatoire à cause par exemple des personnes ou objets mobiles, et ne peut donc être décrit fidèlement par un modèle purement déterministe. Dans cette thèse, un modèle semi-déterministe est proposé, basé sur le modèle MR-FDPF, qui introduit une part stochastique pour tenir compte des aspects aléatoires du canal radio réaliste. La partie déterministe du modèle est composée du path loss (atténuation d’espace), et la partie stochastique venant du shadow fading (masquage) et du small scale fading (évanouissement). De même, de nombreux simulateurs de propagation radio ne proposent que la prédiction de la puissance moyenne. Mais pour une simulation précise de la propagation radio il convient de prédire également des informations de fading permettant dès lors une prédiction précise du taux d’erreur binaire (BER) potentiel. Dans cette thèse, l’information de fading est déduite des simulations MR-FDPF et par la suite des valeurs réalistes de BER sont données. Enfin, ces données réalistes de BER permettent d’évaluer l’impact de schémas de modulation adaptatifs. Des résultats sont présentés dans trois configurations : systèmes SISO (mono-antenne à l’émission et à la réception), systèmes à diversité de type MRC, et systèmes large bande de type OFDM. / This thesis aims at proposing all the possible enhancements for the Multi-Resolution Frequency-Domain ParFlow (MR-FDPF) model. As a deterministic radio propagation model, the MR-FDPF model possesses the property of a high level of accuracy, but it also suffers from some common limitations of deterministic models. For instance, realistic radio channels are not deterministic but a kind of random processes due to, e.g. moving people or moving objects, thus they can not be completely described by a purely deterministic model. In this thesis, a semi-deterministic model is proposed based on the deterministic MR-FDPF model which introduces a stochastic part to take into account the randomness of realistic radio channels. The deterministic part of the semi-deterministic model is the mean path loss, and the stochastic part comes from the shadow fading and the small scale fading. Besides, many radio propagation simulators provide only the mean power predictions. However, only mean power is not enough to fully describe the behavior of radio channels. It has been shown that fading has also an important impact on the radio system performance. Thus, a fine radio propagation simulator should also be able to provide the fading information, and then an accurate Bit Error Rate (BER) prediction can be achieved. In this thesis, the fading information is extracted based on the MR-FDPF model and then a realistic BER is predicted. Finally, the realistic prediction of the BER allows the implementation of the adaptive modulation scheme. This has been done in the thesis for three systems, the Single-Input Single-Output (SISO) systems, the Maximum Ratio Combining (MRC) diversity systems and the wideband Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) systems.