Πολυδιάστατος χαρακτηρισμός ραδιοδιαύλου για ευρυζωνικά ασύρματα συστήματα επικοινωνιών

Abstract

This doctoral thesis deals with experimental multidimensional channel characterization for broadband wireless personal communication systems. The necessity of the topic is associated with the current growth of multielement antenna wireless systems known as MIMO systems. The theoretically anticipated channel capacity gain by the employment of multielement antennas as well as the increased wireless link robustness is highly dependent on the characteristics of the wireless medium. Furthermore, the efficient design of space-time-frequency transmitter and receiver processing algorithms is strongly linked to the accurate knowledge, modeling and beneficial use of channel’s characteristics. Aiming to the complete characterization of the wireless channel, a measurement campaign was designed and carried out. The experimental data were initially used for the stochastic characterization of the wireless channel as a linear space-time varying system. In particular, the channel stationarity was tested, the joint channel correlation functions were determined and coherence as well as dispersion measures were computed. Additionally, following the parametric channel modeling approach, advanced high-resolution parameter estimation algorithms were implemented and applied to the measured data for the estimation of the dominant multipath components’ features. These results refer to the total number of specular multipaths, and the parameters of each, i.e. angle of arrival, angle of departure, propagation delay and complex amplitude. Finally, a realistic capacity performance evaluation was carried out examining the channel capacity dependence on the MIMO system characteristics such as the number of antenna elements, the inter-element spacing distance, the average system intented SNR and the space-time coding scheme used.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τον πολυδιάστατο, πειραματικό χαρακτηρισμό ραδιοδιαύλου για ευρυζωνικά ασύρματα συστήματα προσωπικών επικοινωνιών. Η αναγκαιότητα του "θέματος συνδέεται άμεσα με την ραγδαία ανάπτυξη που γνωρίζουν τα ασύρματα συστήματα με πολλαπλές κεραίες σε πομπό και δέκτη, γνωστά και ως συστήματα ΜΙΜΟ. Το θεωρητικά αναμενόμενο κέρδος στη χωρητικότητα διαύλου από την εισαγωγή πολλαπλών κεραιών αλλά και η βελτίωση της ποιότητας της ασύρματης ζεύξης εμφανίζουν υψηλή εξάρτηση από τα χαρακτηριστικά του ραδιοδιαύλου. Επίσης, η αποδοτική σχεδίαση των χωρο-χρονο-συχνοτικών αλγορίθμων επεξεργασίας σήματος που χρησιμοποιούνται σε πομπό και δέκτη οφείλει να βασίζεται στην ακριβή γνώση, μοντελοποίηση και εκμετάλλευση των χαρακτηριστικών του ασύρματου μέσου διάδοσης. Σκοπεύοντας στον ολοκληρωμένο χαρακτηρισμό του καναλιού, στα πλαίσια της διατριβής πραγματοποιήθηκαν ευρυζωνικές μετρήσεις διαύλου με πολλαπλές κεραίες σε πομπό και δέκτη. Τα πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν αρχικά για το στοχαστικό χαρακτηρισμό του ραδιοδιαύλου ως ένα γραμμικό χωρο-χρονικά μεταβαλλόμενο σύστημα. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στην εξέταση της στατικότητας, στον προσδιορισμό των πολυδιάστατων συναρτήσεων αυτοσυσχέτισης διαύλου, στα μεγέθη συνοχής και στα μεγέθη διασποράς. Επιπλέον, ακολουθώντας την προσέγγιση του παραμετρικού χαρακτηρισμού ραδιοδιαύλου, υλοποιήθηκαν εξελιγμένοι αλγόριθμοι πολυδιάστατης εκτίμησης παραμέτρων οι οποίοι και εφαρμόστηκαν στα πειραματικά δεδομένα για τον προσδιορισμό χαρακτηριστικών των κυρίαρχων πολυδιαδρομικών συνιστωσών. Τέτοια χαρακτηριστικά είναι το συνολικό πλήθος των διακριτών συνιστωσών καθώς και η γωνία άφιξης, η γωνία αναχώρησης, η καθυστέρηση διάδοσης και το μιγαδικό πλάτος της καθεμίας. Τέλος, εξετάστηκε η ρεαλιστική επίδοση χωρητικότητας διαύλου, και η μεταβολή της με τις επιμέρους παραμέτρους ενός ΜΙΜΟ συστήματος όπως είναι το πλήθος των κεραιοστοιχείων, η απόσταση διαχωρισμού του, ο μέσος σηματοθορυβικός λόγος λειτουργίας συστήματος και το σχήμα χωρο-χρονικής κωδικοποίησης που χρησιμοποιείται.