Approved for public release, distribution is unlimited / This thesis investigates the simulation performance of multiple-input multiple-output (MIMO) systems utilizing Alamoutibased space-time block coding (STBC) technique. The MIMO communication systems using STBC technique employing both single- carrier modulation and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) are simulated in Matlab. The physical layer part of the IEEE 802.16a standard is used in constructing the simulated OFDM schemes. Stanford University Interim (SUI) channel models are selected for the wireless channel in the simulation process. The performance results of the simulated MIMO systems are compared to those of conventional single antenna systems. / Lieutenant Junior Grade, Turkish Navy

Η χωροχρονική μπλοκ κωδικοποίηση (STBC) αποτελεί μία αποδοτική και ευρέως διαδεδομένη τεχνική διαφορετικότητας μετάδοσης για την αντιμετώπιση του φαινομένου της εξασθένησης στις ασύρματες επικοινωνίες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο ορθογώνιος κώδικας του σχήματος Alamouti, ο οποίος με δύο κεραίες μετάδοσης επιτυγχάνει τη μέγιστη χωρική διαφορετικότητα στο μέγιστο δυνατό ρυθμό μετάδοσης, για οποιονδήποτε (πραγματικό ή μιγαδικό) αστερισμό συμβόλων. Ωστόσο, το σχήμα Alamouti έχει σχεδιαστεί για συχνοτικά επίπεδα κανάλια. Στην παρούσα εργασία μελετούμε την εφαρμογή STBC σε κανάλια συχνοτικά επιλεκτικής εξασθένησης. Εστιάζουμε κυρίως στο συνδυασμό του σχήματος Alamouti με τεχνικές εξάλειψης της διασυμβολικής παρεμβολής, εξετάζοντας τα σχήματα OFDM-STBC, FDE-STBC και TR-STBC, που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία. Επιπρόσθετα των συμβατικών δεκτών, για τα δύο τελευταία σχήματα περιγράφουμε και προσαρμοστικούς δέκτες, οι οποίοι παρακολουθούν τις μεταβολές του καναλιού, χωρίς να απαιτούν την ακριβή εκτίμησή του. Η έρευνα πάνω στα προηγούμενα σχήματα οδήγησε σε ορισμένα αξιόλογα αποτελέσματα. Κατ’ αρχήν, αποδεικνύουμε ότι τα σχήματα FDE-STBC και TR-STBC είναι ισοδύναμα, μολονότι καθένα εφαρμόζει διαφορετική κωδικοποίηση στα μεταδιδόμενα δεδομένα. Επίσης, σχεδιάζουμε έναν νέο δέκτη για το σχήμα TR-STBC, τον οποίο αναπτύσσουμε και σε προσαρμοστική μορφή. Βασικό πλεονέκτημα του προτεινόμενου δέκτη είναι ότι εκμεταλλεύεται τους κυκλικούς πίνακες συνέλιξης για τη μείωση της πολυπλοκότητας αποκωδικοποίησης. Τέλος, η απόδοση κάθε σχήματος και δέκτη αξιολογείται σε διάφορες συνθήκες εξασθένησης μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστικό περιβάλλον. / Space-time block coding (STBC) is an effective and widely used transmit diversity technique to combat multipath fading in wireless communication systems. A prominent example of STBC is the orthogonal code of Alamouti scheme, which achieves full spatial diversity at full transmission rate for two transmit antennas and any (real or complex) signal constellation. However, Alamouti scheme has been designed only for frequency-flat channels. In this thesis we study the application of STBC in frequency-selective channels. We mainly focus on combining Alamouti scheme with techniques for mitigating intersymbol interference, by studying several schemes (OFDM-STBC, FDE-STBC and TR-STBC) that have been proposed in literature. In addition to the conventional receivers, for FDE-STBC and TR-STBC we describe adaptive receivers too, which have the ability of tracking channel variations, without requiring explicit channel estimation. Research made upon the above schemes has come to some remarkable results. First, we prove that TR-STBC and FDE-STBC are equivalent, although each one encodes differently the transmitted data. Then, we design a new receiver for TR-STBC, which exploits the circulant convolution matrices, in order to reduce decoding complexity and we, also, develop an adaptive structure for the proposed receiver. At last, we evaluate the performance of all the described schemes and receivers in different fading conditions, by using computer simulations.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε τα πλεονεκτήματα που επιφέρει η χρήση πολλαπλών κεραιών στον πομπό και στον δέκτη, κατά την μετάδοση, με στόχο την βελτίωση των παρεχομένων υπηρεσιών στο χρήστη. Στο Κεφάλαιο 1, γίνεται μια ιστορική αναδρομή των ασύρματων επικοινωνιών καθώς των σύγχρονων ασύρματων τεχνολογιών και κεραιών που χρησιμοποιούνται. Στη συνέχεια γίνεται μια αναφορά στις έννοιες του διαφορισμού, του κέρδους διάταξης και της χωρικής πολυπλεξίας οι οποίες συνδέονται άρρηκτα με τα συστήματα MIMO. Στο Κεφάλαιο 2, αναφερόμαστε σε όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά που περιγράφουν το ασύρματο κανάλι και εξάγουμε την γραμμική σχέση εισόδου-εξόδου του ασύρματου καναλιού. Στην συνέχεια γίνεται μια ανάλυση των στοχαστικών μοντέλων περιγραφής του ασύρματου διαύλου διαλείψεων και πιο συγκεκριμένα των μοντέλων Rayleigh και Rice. Στο Κεφάλαιο 3 εξετάζουμε την αξιοπιστία διαφόρων τύπων κεραιοσυστημάτων, ως προς τον ρυθμό των ρυθμό των λανθασμένων συμβόλων στον δέκτη. Πιο συγκεκριμένα εξετάζεται η τεχνική Maximal Ratio Combining για τα συστήματα SIMO καθώς και του σχήματος Alamouti για τα συστήματα ΜISO. Συνεχίζοντας στα MIMO συστήματα αναλύουμε τις μεθόδους ισοστάθμισης για την ανάκτηση των δεδομένων, και πιο συγκεκριμένα τις τεχνικές Zero Forcing, Minimum Mean Square Error,V-Blast και καθώς και την βέλτιστη τεχνική Maximum Likelihood. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας αναλύουμε τα πλεονεκτήματα των MIMO συστημάτων, ως προς την χωρητικότητα που προσφέρουν, σε στοχαστικά κανάλια διαλείψεων.Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στην μέθοδο SVD και στην αναπαράσταση του MIMO καναλιού από έναν αριθμό ανεξάρτητων SISO διαύλων. Κλείνοντας αναφέρουμε την μέθοδο βέλτιστης κατανομής ισχύος στις κεραίες του πομπού Water-filling, και στην περαιτέρω αύξηση της χωρητικότητας του διαύλου που προσφέρει. / In this diploma thesis we are investigating the benefits of using Multiple Input and Multiple Output antennas in information transmission, with final goal to improve Quality of Service. The first Chapter, includes a historical background of the wireless communications but also is a reference to the modern wireless and antenna technologies. Moreover, we introduce the definition of new concepts, such as diversity and array gain and also spatial multiplexing, which are closely connected with MIMO technology. In the second chapter, we introduce the characteristics which they are describe the wireless channel, while simultaneously we mention the linear input-output relationship of the wireless channel. Additionally, we analyze the stochastic wireless channel models, namely the Rayleigh and the Rician fading models. In the third chapter, we investigate the reliability of different types of antenna topologies, regarding the pace of the invalid symbols in the transmitter. More specifically, we examine the Maximal Ratio Combining and Alamouti technique, for SIMO and MISO systems respectively. The next step is to analyze the equalization methods, which are used in MIMO antennas, and more specifically are, Zero Forcing, Minimum Mean Square Error and V-Blast receivers, but also the optimal Maximum Likelihood equalizer. In the last part of this Thesis, we investigate the benefits of MIMO systems regarding the Capacity, in random channels. Also, a reference to the SVD method has been made,which we use to analyze the MIMO channel, in a number of parallel SISO channels. Lastly, we use the water-filling method to allocate, with the optimal way, the given power in the transmit antennas, a fact that leads to even greater Capacity gain.