Αποδοτικές τεχνικές ανάκτησης συμβόλων σε συστήματα συνεργατικής επικοινωνίας

Abstract

Contemporary communication systems, as well as their next generations, are expected to adapt to a rapidly increasing number of desired applications and quality of service levels. For example, in cellular systems, the cells are getting smaller in size and larger in numbers in order to support the increasing number of users. Also, towards another direction, wireless sensor network consist of small devices that comply with stringent constraints such as size, consumed energy and computational power. These examples demonstrate both the high complexity of communication networks and the specific requirements that exist in individual communication nodes. Multiple input multiple output systems are capable of offering high capacity and reliable data communications utilizing the notion of spatial diversity. This is achieved by transmitting the desired information through different spatial paths that are created because of multiple antennas at the transmitter and/or the receiver side. However, the aforementioned complexity of communication networks and the specific requirements of the nodes have as a result that currently proposed techniques, for such systems, are inadequate. A possible solution to this dead end is the idea of cooperation. Cooperation has several aspects in a communication system. Firstly, if the nodes cannot support multiple antennas (e.g. due to size restriction as in sensor networks and mobile phones), they can cooperate in order to provide, in a distributed manner, the desired spatial paths. Secondly, even if multiple antennas can be used, as in base stations, their number might not be good enough because of the increased complexity and size of the network. The appropriate use of cooperative nodes can provide a solution to this problem, too. This dissertation has been focused on cooperative systems that are viewed according to the first aspect. Specifically, it has been assumed that the cooperative network consists of three nodes, a source, a relay and a destination. On this network, channel estimation techniques have been studied pointing out the main characteristics that are inherent to cooperation. Moreover, test-bed implementations have been provided for several well known cooperative schemes and protocols pointing out the practical aspects of such systems. In more detail, after the presentation of some introductory notions on cooperation and channel estimation, a semi-blind technique has been studied that is based on the so called cross-relation criterion. Two alternative schemes for constructing the channel estimator have been proposed as well as a simple training design procedure for improving the estimation performance has been devised. The results that have been produced are supported by semi analytic arguments and computer simulations. Then, a training design problem has been studied for a training based channel estimator. The design has been focused on the energy allocation of training symbols under the assumption that channel taps are correlated. After the description of the problem, the least squares criterion has been utilized and the optimal solution, along with three suboptimal ones, has been presented and useful conclusions have been drawn. Also, the problem has been studied under the minimum mean square error criterion for two cases. In the first one, a worst case analysis has been presented. There, a connection to the least squares solution was provided. In the second case, relaxing the assumption of correlated channel taps, the optimal solution has been presented. In the third direction, a number of well known protocols have been implemented in a test-bed system. A measurement campaign has been conducted to acquire the bit error performance and the computational complexity of the protocols. The protocols have been compared according to three different metrics and useful insights have been identified. The dissertation is concluded with a brief presentation of the main points that have been raised in the aforementioned directions. Moreover, new interesting research directions have been provided.

Τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, καθώς επίσης και οι επόμενες γενιές τους, πρέπει να προσαρμόζονται για να υποστηρίζουν ένα μεγάλο αριθμό από υπηρεσίες μεδιαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας. Για παράδειγμα, στα κυψελικά συστήματα, οι κυψέλεςμικραίνουν σε μέγεθος και αυξάνονται σε πλήθος για να υποστηρίζουν ένα συνεχώςαυξανόμενο πλήθος χρηστών. Επίσης, σε μια άλλη κατεύθυνση, τα δίκτυα αισθητήρωναποτελούνται από μικρές συσκευές που εισάγουν περιορισμούς μεγέϑους, ενέργειας καιεπεξεργαστικής ισχύος. Αυτά τα δυο παραδείγματα επιδεικνύου τόσο την αυξανόμενηπολυπλοκότητα των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων όσο και τις ιδιαίτερες απαιτήσεις πουυπάρχουν στους μεμονωμένους κόμβους τους. Τα τηλεπικοινωνιακά συστήματαπολλαπλών εισόδων και εξόδων έχουν την δυνατότητα να προσφέρουν αυξημένηχωρητικότητα και αξιοπιστία στην μετάδοση δεδομένων μέσω της έννοιας της χωρικήςποικιλομορφίας (space diversity). Συγκεκριμένα, αυτό επιτυγχάνεται με την μετάδοση τηςζητούμενης πληροφορίας μέσω ενός αριθμού από διαφορετικά χωρικά μονοπάτια τα οποίαδημιουργούνται από την ύπαρξη πολλαπλών κεραιών στον πομπό ή/και στον δέκτη. Ωστόσο, η προαναφερόμενη πολυπλοκότητα στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα και οιιδιαίτερες απαιτήσεις των κόμβων έχουν ως αποτέλεσμα να μην επαρκούν οι τεχνικές πουέχουν αναπτυχθεί. Μια πιθανή διέξοδο έρχεται να δώσει η ιδέα της συνεργασίας. Η έννοιατης συνεργασίας έχει διάφορες οπτικές γωνίες σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Πρώτον, αν οι συσκευές δεν μπορούν να υποστηρίξουν πολλαπλές κεραίες (π.χ. λόγωμεγέϑους όπως στα δίκτυα αισθητήρων και στα κινητά τηλέφωνα), σίγουρα μπορούν νασυνεργαστούν ώστε με έναν κατανεμημένο τρόπο να προσφέρουν σε επίπεδο συστήματοςτα απαραίτητα διαφορετικά χωρικά μονοπάτια. Δεύτερον, ακόμη και αν είναι δυνατή ηχρήση πολλαπλών κεραιών σε κάποιον κόμβο ενός δικτύου, π.χ. σε σταθμούς ϐάσηςκυψελικών συστημάτων, ο αριθμός τους μπορεί απλώς να μην αρκεί λόγω της αυξημένηςπολυπλοκότητας και του μεγέθους του δικτύου. Η κατάλληλη χρήση συνεργατικώνκόμβων μπορεί να δώσει επίσης λύση στον εν λόγω περιορισμό.Η παρούσα διδακτορικήδιατριβή ϑα ϐασιστεί πάνω σε συνεργατικά συστήματα υπό την πρώτη οπτική γωνία πουπαρουσιάστηκε παραπάνω. Συγκεκριμένα, ϑα ϑεωϱηθεί ένα συνεργατικό δίκτυο με τρειςκόμβους, δηλαδή μια πηγή, έναν αναμεταδότη και έναν προορισμό. Θα μελετηθούν τεχνικές εκτίμησης των καναλιών που συμμετέχουν στην μετάδοση της πληροφορίαςαναδεικνύοντας τα ϐασικά χαρακτηριστικά που εισάγει η έννοια της συνεργασίας στις ενλόγω τεχνικές. Επίσης, ϑα παρουσιαστούν υλοποιήσεις διαφόρων συνεργατικώνπρωτοκόλλων μετάδοσης σε ένα πραγματικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα προσφέρονταςέτσι την απαραίτητη πρακτική διαίσθηση πίσω από αυτά τα συστήματα. Συγκεκριμένα, αφού παρουσιαστούν κάποιες ϐασικές έννοιες για τις συνεργατικές επικοινωνίες και τηνλειτουργία της εκτίμησης καναλιών, ϑα μελετηθεί το πρόβλημα εκτίμησης με μερικήεπίβλεψη σε σχέση με το μοντέλο του συνεργατικού συστήματος που ϑεωρήθηκε. Προτείνονται εναλλακτικά σχήματα για την υλοποίηση του εκτιμητή καθώς επίσης καιένας απλός σχεδιασμός της ακολουθίας συμβόλων που υποβοηθάει το εφαρμοζόμενοκριτήριο ετεροσυσχέτισης. ΄Ολες οι έννοιες που παρουσιάζονται σε αυτό το κεφάλαιουποστηρίζονται με πειραματικά και ημιαναλυτικά επιχειρήματα. Στην συνέχεια, παρουσιάζεται το πρόβλημα σχεδιασμού της κατανομής ενέργειας σε σύμβολα εκμάθησηςγια την εκτίμηση συσχετισμένων καναλιών. Αφού περιγραφεί το προς μελέτη πρόβλημα, ϑα επικεντρωθούμε στο κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων για το οποίο παρουσιάζονται ηϐέλτιστη και τρεις υποβέλτιστες λύσεις που συνοδεύονται από χρήσιμα συμπεράσματα καιπαρατηρήσεις. ΄Επειτα, μελετάται το κριτήριο ελάχιστου μέσου τετραγωνικού σφάλματοςγια δυο περιπτώσεις. Στην πρώτη, παρουσιάζεται μια ανάλυση χειρότερης περίπτωσης καιγίνεται η σύνδεση των λύσεων του προβλήματος με τις λύσεις του προηγούμενουκριτηρίου. Επίσης, υπό την υπόθεση των καναλιών χωρίς συσχέτιση, παρουσιάζεται ηϐέλτιστη λύση για τον σχεδιασμό της ακολουθίας των συμβόλων εκμάθησης. Στην τρίτηκατεύθυνση, ϑα παρουσιαστεί αρχικά το σύστημα στο οποίο ϑα υλοποιηθούν καιεκτελεστούν τα πρωτόκολλα συνεργατικής επικοινωνίας. Στην συνέχεια, παρουσιάζονταιτα εν λόγω σχήματα και το κεφάλαιο καταλήγει με την πειραματική διαδικασία, τηνπαρουσίαση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων καθώς και την εξαγωγή χρήσιμωνσυμπερασμάτων. Στο τέλος της διατριβής περιγράφονται συνοπτικά τα ϐασικάσυμπεράσματα που έχουν προκύψει και παρουσιάζονται κάποιες ενδιαφέρουσες νέεςκατευθύνσεις.