Τεχνικές Μετάδοσης, Ανάλυση Και Σχεδίαση Προσαρμοστικών Γνωστικών Συστημάτων Ραδιοεπικοινωνιών (cognitive Radio)

Abstract

Τα Γνωστικά Ραδιοσυστήματα είναι μια νέα τεχνολογία κινητών και ασύρματων επικοινωνιών που διαθέτει την ικανότητα να προσαρμόζει αυτόματα και δυναμικά τις παραμέτρους εκπομπής και λήψης με κύριο στόχο την αποδοτική χρησιμοποίηση των ραδιοπόρων με την ταυτόχρονη παροχή αξιόπιστων και ταχύτατων υπηρεσιών. Η ικανότητα προσαρμογής της χρησιμοποιούμενης κυματομορφής σε ένα ετερογενές ραδιοτηλεπικοινωνιακό περιβάλλον με την ταυτόχρονη ανάγκη για συνύπαρξη με συμβατικά ραδιοσυστήματα, άνοιξε ένα ευρύ πεδίο ερευνητικών προκλήσεων και δυνατοτήτων. Η παρούσα διατριβή αντιμετωπίζει μια ποικιλία θεμάτων σχετικά με την προσαρμοστική σχεδίαση κυματομορφών και την ανάπτυξη αλγορίθμων ανάλυσης σήματος στους δέκτες. Το επίκεντρο του ενδιαφέροντος δόθηκε σε θέματα επεξεργασίας σήματος του επαναπροσαρμόσιμου φυσικού στρώματος, αλλά η ερευνητική προσπάθεια έφτασε και στο υπόστρωμα Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο (MAC). Πρώτα γίνεται μια εισαγωγή σε έννοιες, ορισμούς και αρχές των Γνωστικών Ραδιοσυστημάτων και του πλήρως προγραμματισμού υλικού υποβάθρου τους, του Software Defined Radio (SDR). Οι αρχές ψηφιακής επεξεργασίας πολλαπλών ρυθμών και η θεωρία των συγκροτημάτων φίλτρων μελετήθηκαν ως μέσο ανάπτυξης υπολογιστικά αποδοτικών, πραγματικού χρόνου αλγορίθμων. Από τη στιγμή που η διαμόρφωση OFDM είναι η πιο δημοφιλής επιλογή για τον ρόλο της κυματομορφής σε ένα Γνωστικό ραδιοδίκτυο, πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη ανάλυση των χαρακτηριστικών, αδυναμιών και περιορισμών στα πλαίσια λειτουργίας των Γνωστικών Ραδιοσυστημάτων. Για να ξεπεραστεί το μειονέκτημα της OFDM που αφορά τους υψηλούς πλευρικούς λοβούς , μια νέα κυματομορφή Παραθυρικής OFDM με μετατόπιση σχεδιάστηκε ως δημιουργική ανάμιξη των χαρακτηριστικών της OFDM, OFDM-OQAM και των διαδικασιών μορφοποίησης σημάτων. Σε επόμενο βήμα ορίστηκαν διαδικασίες απόφασης για φασματική ανίχνευση με χρήση συγκροτημάτων φίλτρων και παρουσιάστηκαν υλοποιήσιμοι και πρακτικοί αλγόριθμοι. Στη συνέχεια εισήχθη η έννοια της Φασματικής Ανίχνευσης Τριών Καταστάσεων έτσι ώστε να δοθεί η δυνατότητα στο τερματικό να αναγνωρίσει και να κατατάξει τα εισερχόμενα σήματα ως Γνωστικά ή Πρωτεύοντα. Ο συνδυασμός των συμπερασμάτων και αποτελεσμάτων των προηγούμενων εργασιών οδήγησε στον σχεδιασμό μιας Αρχιτεκτονικής OFDM δέκτη με χρήση συγκροτήματος φίλτρων, ο οποίος και προστατεύει το Γνωστικό Ραδιοσύστημα από καταστροφικές παρεμβολές. Παράλληλα προσφέρει τη δυνατότητα ανάπτυξης νέων αλγορίθμων. Έτσι αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος χρονικού και συχνοτικού συγχρονισμού για τις μη-συνεχόμενες OFDM κυματομορφές που δέχονται ισχυρές παρεμβολές. Η έρευνα ολοκληρώθηκε στο επίπεδο MAC όπου πραγματοποιήθηκε τροποποίηση της Λειτουργίας Κατανεμημένου Ελέγχου (iDCF) έτσι ώστε να προσαρμοστεί η χρήση της στις ιδιαιτερότητες της λειτουργίας Δυναμικής Χρήσης Φάσματος. Κατά τη διάρκεια της ερευνητικής προσπάθειας αντιμετωπίστηκαν και κάποια άλλα θέματα όπως η Αυτόματη Αναγνώριση Τύπου (και τάξης) διαμόρφωσης και ο χαρακτηρισμός και μοντελοποίηση του ραδιοδιαύλου