No description available.

No description available.

The scope of the thesis is to estimate the parameters of continuous-time models used within control and communication from sampled data with high accuracy and in a computationally efficient way.In the thesis, continuous-time models of systems controlled in a networked environment, errors-in-variables systems, stochastic closed-loop systems, and wireless channels are considered. The parameters of a transfer function based model for the process in a networked control system are estimated by a covariance function based approach relying upon the second order statistical properties of input and output signals. Some other approaches for estimating the parameters of continuous-time models for processes in networked environments are also considered. The multiple input multiple output errors-in-variables problem is solved by means of a covariance matching algorithm. An analysis of a covariance matching method for single input single output errors-in-variables system identification is also presented. The parameters of continuous-time autoregressive exogenous models are estimated from closed-loop filtered data, where the controllers in the closed-loop are of proportional and proportional integral type, and where the closed-loop also contains a time-delay. A stochastic differential equation is derived for Jakes's wireless channel model, describing the dynamics of a scattered electric field with the moving receiver incorporating a Doppler shift. / <p>The thesis consists of five main parts, where the first part is an introduction- Parts II-IV are based on the following articles:</p><p><strong>Part II</strong> - Networked Control Systems</p><p>1. Y. Irshad, M. Mossberg and T. Söderström. <em>System identification in a networkedenvironment using second order statistical properties</em>.</p><p>A versionwithout all appendices is published as Y. Irshad, M. Mossberg and T. Söderström. <em>System identification in a networked environment using second order statistical properties</em>. Automatica, 49(2), pages 652–659, 2013.</p><p>Some preliminary results are also published as M. Mossberg, Y. Irshad and T. Söderström. <em>A covariance function based approachto networked system identification.</em> In Proc. 2nd IFAC Workshop on Distributed Estimation and Control in Networked Systems, pages 127–132, Annecy,France, September 13–14, 2010</p><p>2. Y. Irshad and M. Mossberg. <em>Some parameters estimation methods applied tonetworked control systems</em>.A journal submission is made. Some preliminary results are published as Y. Irshad and M. Mossberg.<em> A comparison of estimation concepts applied to networked control systems</em>. In Proc. 19th Int. Conf. on Systems, Signals andImage Processing, pages 120–123, Vienna, Austria, April 11–13, 2012.</p><p><strong>Part III</strong> - Errors-in-variables Identification</p><p>3. Y. Irshad and M. Mossberg. <em>Continuous-time covariance matching for MIMOEIV system identification</em>. A journal submission is made.</p><p>4. T. Söderström, Y. Irshad, M. Mossberg and W. X. Zheng. <em>On the accuracy of acovariance matching method for continuous-time EIV identification. </em>Provisionally accepted for publication in Automatica.</p><p>Some preliminary results are published as T. Söderström, Y. Irshad, M. Mossberg, and W. X. Zheng. <em>Accuracy analysis of a covariance matching method for continuous-time errors-in-variables system identification</em>. In Proc. 16th IFAC Symp. System Identification, pages 1383–1388, Brussels, Belgium, July 11–13, 2012.</p><p><strong>Part IV</strong> - Wireless Channel Modeling</p><p>5. Y. Irshad and M. Mossberg.<em> Wireless channel modeling based on stochasticdifferential equations .</em>Some results are published as M. Mossberg and Y. Irshad.<em> A stochastic differential equation forwireless channelsbased on Jakes’s model with time-varying phases,</em> In Proc. 13th IEEEDigitalSignal Processing Workshop, pages 602–605, Marco Island, FL, January4–7, 2009.</p><p><strong>Part V</strong> - Closed-loop Identification</p><p>6. Y. Irshad and M. Mossberg. Closed-loop identification of P- and PI-controlledtime-delayed stochastic systems.Some results are published as M. Mossberg and Y. Irshad. <em>Closed-loop identific ation of stochastic models from filtered data</em>, In Proc. IEEE Multi-conference on Systems and Control,San Antonio, TX, September 3–5, 2008</p>

This research investigates techniques for iterative channel estimation to maximize channel capacity and communication security. The contributions of this dissertation are as follows: i) An accurate, low-complexity approach to pilot-assisted fast-fading channel estimation for single-carrier modulation with a turbo equalizer and a decoder is proposed. The channel is estimated using a Kalman filter (KF) followed by a zero-phase filter (ZPF) as a smoother. The combination of the ZPF with the KF of the channel estimator makes it possible to reduce the estimation error to near the Wiener bound. ii) A new semi-blind channel estimation technique is introduced for multiple-input-multiple-output channels. Once the channel is estimated using a few pilots, a low-order KF is employed to progressively predict the channel gains for the upcoming blocks. iii) The capacity of radio channels is investigated when iterative channel estimation, data detection, and decoding are employed. By taking the uncertainty in decoded data bits into account, the channel Linear Minimum Mean Square Error (LMMSE) estimator of an iterative receiver with a given pilot ratio is obtained. The derived error value is then used to derive a bound on capacity. It is shown that in slow fading channels, iterative processing provides only a marginal advantage over non-iterative approach to channel estimation. Knowing the capacity gain from iterative processing versus purely pilot-based channel estimation helps a designer to compare the performance of an iterative receiver against a non-iterative one and select the best balance between performance and cost. iv) A Radio channel is characterized by random parameters which can be used to generate shared secret keys by the communicating parties when the channel is estimated. This research studies upper bounds on the rate of the secret keys extractable from iteratively estimated channels. Various realistic scenarios are considered where the transmission is half-duplex and/or the channel is sampled under the Nyquist rate. The effect of channel sampling interval, fading rate and noise on the key rate is demonstrated. The results of this research can be beneficial for the design and analysis of reliable and secure mobile wireless systems. / Graduate / 0544

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.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-02-26T15:34:03Z No. of bitstreams: 1 thiagorodriguesoliveira.pdf: 11824049 bytes, checksum: ab8b7db8e1cc38ac7c875396e2379120 (MD5) / Rejected by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br), reason: Consertar sobrenome orientador on 2016-03-03T14:07:28Z (GMT) / Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-03-03T14:41:56Z No. of bitstreams: 1 thiagorodriguesoliveira.pdf: 11824049 bytes, checksum: ab8b7db8e1cc38ac7c875396e2379120 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-04-24T01:46:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 thiagorodriguesoliveira.pdf: 11824049 bytes, checksum: ab8b7db8e1cc38ac7c875396e2379120 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-24T01:46:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thiagorodriguesoliveira.pdf: 11824049 bytes, checksum: ab8b7db8e1cc38ac7c875396e2379120 (MD5) Previous issue date: 2015-03-24 / Essa tese de doutorado apresenta, inicialmente, uma metodologia a ser empregada para a caracterização de redes de energia elétrica para fins de comunicação de dados. Esta metodologia engloba todos os procedimentos e ferramentas de processamento de sinais necessárias para a estimação de características importantes para a avaliação de canais de comunicação de dados. Em seguida, são apresentados resultados da aplicação de tal metodologia em dados provenientes de uma campanha de medição realizada em ambientes internos em residências brasileiras. Algumas características importantes desses canais, tais como ganho médio, banda de coerência, tempo de coerência, o valor quadrático médio do espalhamento de atraso, capacidade do canal e densidade espectral de potência do ruído, são analizadas considerando três bandas de frequência: de 1,7 até 30 MHz, de 1,7 até 50 MHz e de 1,7 até 100 MHz. Comparando os resultados de canais power line communication (PLC) em ambientes residenciais brasileiros com aqueles medidos em outros países, tais como Espanha, Estados Unidos, França e Itália, podemos notar que canais PLC brasileiros apresentam, em geral, menores atenuações, são menos seletivos em frequência e possuem menores espalhamentos de atraso. Por fim, um novo meio de comunicação baseada nas tecnologias PLC e sem fio é apresentada e definida como híbrido PLC-sem fio o qual permite a comunicação física e à distância com a rede de energia elétrica para fins de comunicação de dados. Tal canal de comunicação é avaliado em residências brasileiras e importantes características são extraídas e discutidas. Embora o canal híbrido PLC-sem fio tenha se mostrado mais adverso que o canal PLC para a comunicação de dados, a introdução da mobilidade, de uma forma que é impossível de se obter em sistemas puramente PLC, constitui sua principal vantagem. Essa mobilidade é um importante atrativo que coloca sistemas híbridos em uma posição privilegiada dentre os candidatos para compor a infraestrutura de telecomunicações em redes inteligentes (smart grids), ou para ser usada como uma ferramenta para promover a inclusão digital da população carente de países pobres ou em desenvolvimento. / This work outlines initially a methodology to be applied to the characterization of electric power grids for data communication purposes. This methodology englobes all the procedures and required signal processing tools for a reliable estimation of features that allow the suitability of a media for data communication. Next, PLC (power line communication) channel results provided by the use of such methodology in a data set obtained from a measurement campaing in in-home Brazilian places are presented. The analyzed channel features are the average channel gain, the coherence bandwidth, the coherence time, the root mean squared delay spread, the channel capacity and the noise power spectral density by considering the following frequency bands: from 1.7 up to 30 MHz, from 1.7 up to 50 MHz and from 1.7 up to 100 MHz. Comparisons among the results for in-home Brazilian PLC channels with other provided for other countries such as Spain, United States, France and Italy showed that, in general, in-home Brazilian PLC channels present smaller attenuation, are less frequency selective and showed smaller delay spread than these countries. Finally, a new medium to provide data communication is presented and defined as hybrid PLC-wireless, in which PLC and wireless technologies are combined. Such novel communication channel is characterized in in-home Brazilian places and important channel features are estimated and discussed. Though the hybrid PLC-wireless channel has been shown more adverse than the PLC channel, the introduction of mobility is its main advantage, something that is impossible in traditional PLC technologies. Thus, this mobility is an important issue that puts hybrid PLC-wireless technologies in a privileged position among the candidates to form the communication infrastructure for smart grids, or to be used as a too to solve the digital divide problem that is more accentuated in poor and in developing countries.

內容感知的應用在今日已經變的越來越熱門，而位置資訊的可知也因此衍生出許多研究的議題。這篇論文提出了一套精準的室內無線網路系統名為Precise Indoor Location System (PILS)。大部分擁有良好定位精準度的定位系統都必須在事情花費許多的人力在收集大量的訊號上面，使得定位系統的變的不實用與需求過多的人力資源。在這篇論文裡，我們將目標放在減少在建置訊號地圖上的人力資源耗費並且保持住定位系統的精準度在一個可以接受的範圍。我們也提出了在資料收集上、訊號內插上、以及位置估計上的模型。另外我們也考慮了一連串連續訊號的相關度來提高準確度。無線網路訊號傳遞的特性也是我們研究的一部份，大小範圍的遮蔽包含在我們所研究的訊號傳遞現象裡面。最後我們提出了一套學習的模型來調整我們的訊號地圖，以改進因為測量數目的減少所造成的精準度下降。 / Context-aware applications become more and more popular in today’s life. Location-aware information derives a lot of research issues. This thesis presents a precise indoor RF-based WLAN (IEEE 802.11) locating system named Precise Indoor Locating System (PILS). Most proposed location systems acquire well location estimation results but consume high level of manual efforts to collect huge amount of signal data. As a consequence, the system becomes impractical and manpower-wasted. In this thesis, we aim to reduce the manual efforts in constructing radio map and maintain high accuracy in our system. We propose the models for data calibration, interpolating, and location estimation in PILS. In the data calibration and location estimation models, we consider the autocorrelation of signal samples to enhance accuracy. Large scale and small scale fading are involved in the wireless channel propagation model. We also propose a learning model to adjust radio map for improving the accuracy down caused by calibrated data reduction.

This dissertation applies theories and concepts of wireless communications and signal processing to the security domain to assess the security of a Wireless secret Key Generation (WKG) system against capable eavesdroppers, who employ all the feasible tools to compromise the system’s security. The security of WKG is evaluated via real wireless measurements, where adversary knows and applies appropriate signal processing tools in ordere to predict the generated key with the communicating pair. It is shown that in a broadband stationary wireless communication channel, (e.g. commercial off-the-shelf 802.11 WLAN devices), a capable eavesdropper can recover a large portion of the secret key bits. However, in an Ultra-wideband (UWB) communication, at the same stationary environment, secret key rates of 128 bits per channel probe are achievable. / Graduate

Λαμβάνοντας υπόψη, ότι η αποδοτική σχεδίαση, αξιολόγηση και εγκατάσταση ενός ασύρματου δικτύου επικοινωνιών, απαιτούν τον ακριβή χαρακτηρισμό του καναλιού διάδοσης και ειδικότερα των διαλείψεων μικρής και μεγάλης κλίμακας, το αντικείμενο μελέτης της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής (ΔΔ) εστιάζεται στη μοντελοποίηση των διαλείψεων με νέα γενικότερα στατιστικά μοντέλα και απαρτίζεται από τρεις θεματικές ενότητες που αφορούν α) μοντέλα παρουσία συνιστώσας Οπτικής Επαφής (ΟΕ), β) μοντέλα που χαρακτηρίζονται από απουσία συνιστώσας ΟΕ καθώς και γ) χρήσιμες στατιστικές εκφράσεις για τη περιγραφή του τυχαίου θορύβου FM και της μέσης χωρητικότητας του καναλιού για μερικά από τα νέα κανάλια (α-μ, α-η-μ, α-κ-μ και α-λ-η-μ). Με βάση την υφιστάμενη διεθνή βιβλιογραφία, οι κατανομές που περιγράφουν κανάλια διαλείψεων δεν είναι αρκετά ευέλικτες και πολλές φορές είναι ανεπαρκείς για τη προσαρμογή αυτών σε δεδομένα προερχόμενα από πειραματικές μετρήσεις της έντασης ανά μονάδα επιφάνειας του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, τόσο για κανάλια εσωτερικών, όσο και για κανάλια υπαίθριων (εξωτερικών) χώρων. Έτσι, αρχικά δίδεται ο φυσικός μηχανισμός για την ερμηνεία κάθε νέου παρουσιαζόμενου μοντέλου. Χρησιμοποιώντας το μαθηματικό φορμαλισμό που προκύπτει από την μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού μέσω διαφόρων μιγαδικών Gaussian διεργασιών με διαφορετικές ιδιότητες, παρέχονται χρήσιμες εκφράσεις για την περιγραφή και αξιολόγηση των ψηφιακών συστημάτων επικοινωνιών που λειτουργούν σε περιβάλλοντα διαλείψεων. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η μελέτη που αφορά μοντέλα που υποθέτουν ότι η συνιστώσα πολυδιόδευσης συνυπάρχει με συνιστώσα. Έπειτα, πραγματοποιείται μελέτη μοντέλων που λειτουργούν σε συνθήκες διαλείψεων, όπου δεν υφίσταται συνιστώσα ΟΕ. Στη συνέχεια της ΔΔ, αναφορικά με κάποια από τα μοντέλα που παρουσιάστηκαν, πραγματοποιείται μελέτη και διερεύνηση του τυχαίου θορύβου FM και της Μέσης Χωρητικότητας του Καναλιού (ΜΧΚ). / The effective design, assessment, and installation of a wireless radio network require an accurate characterization of the propagation channel and, in particular, the small and large scale fading. By taking this into consideration, the subject of this Philosophy Diploma (PhD) dissertation is summarized in the characterization of fading with new more general statistical models and it is composed from three thematic units that concern: a) models under LOS conditions, v) models that are characterized by lack of a LOS component as well as c) useful statistical expressions for the description of random noise FM and average channel capacity for some of the new channels. A important amount of scientific work shows that the existing distributions are not enough flexible and many times are insufficient for the adaptation in data coming from experimental measurements of intensity per unit of surface of the electromagnetic field for both indoor and outdoor channels. Based on this fact, the objective of the Thesis was the production of new more general models with always natural background. Thus, initially, the natural mechanism is given for the interpretation of each new presented model. Using the mathematic formalism that results from the modelling of wireless channel via various complex Gaussian processes with different attributes, useful expressions are provided for the description and evaluation of digital communication systems that operate in fading environments. Consequently, initially, the basic theoretical background is presented that is rendered useful and essential for the study of fading channels. Next, a study is presented that concerns models that assume that the mulitpath part coexists with a LOS component. Then, a study of models, which assume NLOS conditions, takes place. In the next part of the PhD, in regard to some of the presented models, a study of random noise FM and ACC takes place.

Το πρόβλημα της μοντελοποίησης του ασύρματου διαύλου συνίσταται σε ένα ολοένα και αυξανόμενο πλήθος παραμέτρων και ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και να ενσωματώνονται στα πλαίσια του RF σχεδιασμού (Radio-Frequency planning) ενός ασύρματου δικτύου εύρωστης παροχής υπηρεσιών. Ο χαρακτηρισμός του ασύρματου καναλιού προϋποθέτει κάτι περισσότερο από μία ντετερμινιστική εξίσωση που υπολογίζει τις απώλειες οδεύσεως ελεύθερου χώρου συναρτήσει της απόστασης πομπού-δέκτη και της συχνότητας. Ένα αξιόπιστο μοντέλο απωλειών σε μία τέτοια περίπτωση απαιτεί τον συνυπολογισμό των απωλειών λόγω των διάφορων μηχανισμών διάδοσης και εξασθένησης της Η/Μ ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένων των απωλειών λόγω εμποδίων, αλλά και των φαινομένων σκίασης λόγω ανθρώπινης παρεμβολής. Η σημασία της συμβολής της διατριβής έγκειται στην συγκριτική αντιπαραβολή των βασικότερων μοντέλων απωλειών οδεύσεως και στην αριθμητική διόρθωση και επαναξιολόγηση του μοντέλου της ITU για ένα σύνολο τοπολογιών σύνθετης ράδιο-διάδοσης. Οι προτεινόμενες μας αλλαγές στο μοντέλο ITU αύξησαν σημαντικά την αξιοπιστία του όχι μόνο σε σχέση με την αρχική του απόδοση αλλά και συγκριτικά με τα υπόλοιπα μοντέλα. Επιπρόσθετα, υπολογίσαμε αναλυτικά για κάθε τοπολογία την εξασθένηση ανά απόσταση και προβήκαμε στην μοντελοποίηση της γεωγραφικής διασποράς της εξασθένησης ανά απόσταση με τρόπο που μπορεί να αποτελέσει το θεμέλιο ενός προγνωστικού εργαλείου για την παράμετρο αυτή. Επίσης, εξετάσαμε τις διαλείψεις μεγάλης κλίμακας και καταλήξαμε σε μία καινοτόμο μέθοδο για τον υπολογισμό του βάθους σκίασης απευθείας από τα εμπόδια της εκάστοτε τοπολογίας. Η μέθοδος αυτή προτάθηκε και ελέγχθηκε για την ακρίβειά της στα 2.4 GHz, αλλά μπορεί να εφαρμοστεί για κάθε συχνότητα ενδιαφέροντος εφόσον ακολουθηθούν οι διαδικασίες καταμέτρησης των απωλειών σκίασης των εμποδίων κάθε τύπου και πλήθους. Με τη μέθοδο αυτή μπορεί να υπολογιστεί και η εξασθένηση ανά απόσταση μέσω του βάθους σκίασης, συνεπώς είναι εφικτός ο χαρακτηρισμός της εξασθένησης εντός της τοπολογίας χωρίς την αναγκαιότητα πραγματοποίησης εκτεταμένων μετρήσεων. Επιπρόσθετα, εξετάσαμε πώς διαφορετικοί μηχανισμοί ράδιο-διάδοσης οδηγούν σε διαφορετική γεωγραφική διασπορά των τοπικών τιμών της λαμβανόμενης ισχύος. Τέλος, παρουσιάστηκε η λύση της Ασφάλειας Φυσικού Επιπέδου (Wireless Information-Theoretic Security, WITS) με διερεύνηση της επίδρασης των ρεαλιστικών απωλειών οδεύσεων ενός ασύρματου διαύλου με εμπόδια και διαλείψεις στα όρια των τιμών των παραμέτρων, ενώ επίσης εξετάστηκε για πρώτη φορά σε κλειστή μορφή η Αποκοπή Χωρητικότητας Ασφαλείας (Outage Secrecy Capacity). Μελετήσαμε την επίδραση της κινητικότητας των χρηστών στην αξιοπιστία της μεθόδου σε επίπεδο προσομοιώσεων αλλά και με πειραματικές μετρήσεις, αξιολογώντας ποσοτικά και ποιοτικά την επίδρασή τους στα όρια τιμών των παραμέτρων υπό την παρουσία ενός ωτακουστή, και εν συνεχεία σε καθεστώς πολλαπλών ωτακουστών, θεωρώντας μέθοδο συνεργασίας ωτακουστών SC και MRC. / Wireless Channel Modeling consists of an even more increasing number of factors and parameters that need to be accounted for, in the context of RF planning. Wireless Channel Characterization requires more than a deterministic formula for calculating free space path loss in relation to frequency and distance. A reliable path loss model needs to incorporate in its formula the various propagation mechanisms that influence signal attenuation, including losses due to obstacles and human body shadowing. The importance of our contribution lies in the comparative evaluation and validation of the most fundamental RF path loss models and in the numerical adjustment and re-evaluation of the ITU path loss model for a number of different complex propagation topologies. Our suggested correction to the ITU model has significantly increased its prediction precision compared not only to the initial ITU model but also to all other path loss models in question. In addition, we have calculated the attenuation over distance and modeled the distribution of the local mean values versus distance throughout each topology, in a way that can serve as the foundation of a prediction method for this parameter. The large-scale fading of the received signal has also been characterized and a new empirical method for the calculation of the shadow depth has been introduced. This method has been validated for the 2.4 GHz frequency, but it can be applied to any frequency of interest as long as the respective obstacle-caused losses are measured. Extending this method can be applied in order to calculate the attenuation over distance as a function of shadow depth, therefore allowing us to predict this parameter without extensive measurements. The impact of different propagation mechanisms on the variation of distribution of local mean values of received signal power throughout the topology has also been studied. Finally, the concept of Wireless Information-Theoretic Security (WITS) was discussed, by investigating the impact of channel-dependent variation of path loss on the boundaries of secure communications as defined by WITS parameters, whereas a closed-form expression for Outage Secrecy Capacity was introduced. The impact of user mobility on the range of these parameters was investigated in terms of simulations and experimental measurements, in the presence of a single eavesdropper and also for a multiple eavesdroppers scenario, assuming SC and MRC schemes.