Τεχνικές και αλγόριθμοι επεξεργασίας σήματος για τη μείωση της πολυπλοκότητας του υλικού σε ασύρματα συστήματα επικοινωνιών πολλαπλών εισόδων - πολλαπλών εξόδων

Abstract

Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη και αξιολόγηση τεχνικών επεξεργασίας σήματος για την επίτευξη της μείωσης της πολυπλοκότητας του υλικού στα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών πολλαπλών εισόδων - πολλαπλών εξόδων (MIMO). Παρά το γεγονός ότι τα συστήματα MIMO μπορούν να προσφέρουν δραματική ϐελτίωση της αξιοπιστίας της ζεύξης και της ϕασματικής απόδοσης, δεν έχουν τύχει ευρείας πρακτικής εφαρμογής, λόγω (μεταξύ των άλλων) της υψηλής πολυπλοκότητας του υλικού των πομποδεκτών, η οποία οφείλεται στην ανάγκη χρήσης πολλαπλών αλυσίδων RF. Τα ερευνητικά αποτελέσματα της διατριβής στρέφονται γύρω από δυο άξονες: αφενός, ακολουθώντας τη μέθοδο των ϱοπογεννήτριων συναρτήσεων, αναπτύσσονται ϑεωρητικές εκφράσεις κλειστού τύπου που οδηγούν στον υπολογισμό της πιϑανότητας σφάλματος του συνδυασμού μεγίστου λόγου με υβριδική επιλογή (HS/MRC), όταν οι διαλείψεις του διαύλου ακολουθούν την κατανομή K. Η εν λόγω κατανομή προσεγγίζει τη Rayleigh-λογαριθμοκανονική, η οποία μοντελοποιεί από κοινού τα ϕαινόμενα των διαλείψεων μικρής κλίμακας και σκίασης και έχει πρακτική αξία σε συστήματα επίγειων και δορυφορικών κινητών επικοινωνιών. Αφετέρου, αναπτύσσεται και αξιολογείται μια καινοτόμος τεχνική μείωσης της πολυπλοκότητας του υλικού, η δημιουργία υποστοιχειοκεραιών (antenna subarray formation), σύμφωνα με την οποία, σε κάθε αλυσίδα RF οδηγείται ένας γραμμικός συνδυασμός των αποκρίσεων ενός διαφορετικού υποσυνόλου των διαθέσιμων κεραιοστοιχείων. Με τον τρόπο αυτό, αυξάνεται δραματικά η επίδοση σε σχέση με τη συμβατική τεχνική της επιλογής κεραιοστοιχείων και μπορεί να γίνει συγκρίσιμη με την επίδοση του αντίστοιχου συστήματος πλήρους πολυπλοκότητας. Για την παραγωγή των γραμμικών συνδυασμών, αποδεικνύεται ότι αρκούν οι στροφείς ϕάσης για την επίτευξη υψηλής επίδοσης. Αναπτύσσονται νέοι, αναλυτικοί αλγόριθμοι δημιουργίας υποστοιχειοκεραιών, οι οποίοι στοχεύουν στη μεγιστοποίηση της χωρητικότητας, είτε με ϐάση την ακριβή γνώση του διαύλου στο δέκτη, είτε με ϐάση τα στατιστικά χαρακτηριστικά του. Η επίδοση των προτεινόμενων αλγορίθμων καθώς και οι παράγοντες του συστήματος που την επηρεάζουν εξετάζονται διεξοδικά. Μεταξύ των άλλων, εξετάζεται και η ευρωστία της προτεινόμενης τεχνικής παρουσία μη ιδανικοτήτων που εμφανίζονται στην πράξη. Τέλος, διερευνώντας τις δυνατότητες της νέας τεχνικής, προτείνονται ϑεωρητικά άνω ϕράγματα της εργοδικής χωρητικότητας σε περιβάλλον πλήρους σκέδασης.