Σχήματα Ιεραρχικής Και Χωρικής Διαμόρφωσης Σε Περιβάλλοντα Γενικευμένων Διαλείψεων

Abstract

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών Ιεραρχικής και Χωρικής διαμόρφωσης με σκοπό τη βελτίωση της επίδοσης των συστημάτων ασυρμάτων επικοινωνιών ως προς τη μέση πιθανότητα λάθους (Average Bit Error Probability, ABEP).Στο Κεφάλαιο 1 μελετάται η ιεραρχική διαμόρφωση (hierarchical modulation, HM) ως η πλέον διαδεδομένη μεταξύ των τεχνικών κωδικοποίησης υπέρθεσης (superposition coding).Οι τεχνικές αυτές επιτυγχάνουν άνιση προστασία έναντι λαθών (unequal error protection, UEP) κατά την ταυτόχρονη εκπομπή ροών διαφορετικής προτεραιότητας. Μετά την επισκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας με παράλληλη αναφορά στα διεθνή πρότυπα τα οποία ενσωματώνουν ιεραρχική διαμόρφωση, προτείνεται ένα σχήμα ιεραρχικής διαμόρφωσης χρονικής ολίσθησης μεταξύ των διαμορφωμένων ψηφίων της ροής υψηλής προτεραιότητας (high priority, HP) ως προς τα διαμορφωμένα ψηφία της ροής χαμηλής προτεραιότητας (low priority, LP). Το σχήμα επιτυγχάνει βελτίωση της μέσης πιθανότητας λάθους της ροής HP. Στη συνέχεια μελετάται η εφαρμογή ιεραρχικής διαμόρφωσης για τη μεγιστοποίηση της μέσης φασματικής απόδοσης ενός ασυρμάτου συστήματος ευρυεκπομπής.Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η πλατφόρμα (test-bed) ψηφιακών επεξεργαστών σήματος (digital signal processors, DSP) που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο Ασυρμάτων Επικοινωνιών (WiCom) του Ινστιτούτου Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του ΕΚΕΦΕ "Δ". Με τη βοήθεια υποσυστήματος RF που λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων ISM 2,4 GHz, η πλατφόρμα χρησιμοποιήθηκε για την ασύρματη αποστολή εικόνας, η βελτίωση της ποιότητας απεικόνισης της οποίας διαπιστώθηκε κατά την ανάκτηση της μέσω της εφαρμογής ιεραρχικής διαμόρφωσης.Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η χωρική διαμόρφωση (spatial modulation, SM) ως τεχνική χαμηλής πολυπλοκότητας για συστήματα MIMO νέας γενιάς. Μετά την επισκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας, αναπτύσσεται ένα πλαίσιο για την αξιολόγηση της επίδοσης του σχήματος μεταγωγής μετατόπισης χώρου (space shift keying, SSK) - που αποτελεί υποπερίπτωση της χωρικής διαμόρφωσης σε περιβάλλοντα γενικευμένων διαλείψεων. Συγκεκριμένα, με τη χρήση ολοκληρωτικών μετασχηματισμών και ειδικών συναρτήσεων, διατυπώνεται έκφραση κλειστής μορφής βασισμένη στο μετασχηματισμό Hankel για το άνω όριο (upper bound) της μέσης πιθανότητας λάθους σε περιβάλλον επεκτεταμένων γενικευμένων διαλείψεων K (extended generalized K, EGK). Επιπλέον, διατυπώνονται εκφράσεις κλεστής μορφής για περιβάλλον γενικευμένων διαλείψεων K (generalized K, GK) και διαλείψεων Nakagami που αποτελούν υποπεριπτώσεις των διαλείψεων EGK. Η θεωρητική ανάλυση επεκτείνεται στη διατύπωση αναλυτικών εκφράσεων για το κέρδος κωδικοποίησης και το διαφορικό κέρδος στα ανωτέρω περιβάλλοντα διαλείψεων. Αυτές οι σχέσεις χρησιμοποιούνται για τη διατύπωση έκφρασης κλειστής μορφής για την ασυμπτωτική συμπεριφορά της μέσης πιθανότητας λάθους δεκτών SM MIMO.Το Κεφάλαιο 4 μελετά την ανάπτυξη τεχνικών άνισης προστασίας έναντι λαθών σε σχήματα χωρικής διαμόρφωσης, όπου η σχετική βιβλιογραφία έως σήμερα είναι ιδιαιτέρως περιορισμένη. Για την αντιμετώπιση της ανεπαρκούς επίδοσης του σχήματος SSK σε περιβάλλοντα διαλείψεων Rice, προτείνεται η ιεραρχική πολυσταθμική μεταγωγή μετατόπισης χώρου (hierarchical multilevel SSK, HMSSK), η οποία αντιστοιχεί τα διαμορφωμένα ψηφία της ροής υψηλής προτεραιότητας σε διαφορετικό πλήθος ενεργών κεραιών, ενώ η ροή χαμηλής προτεραιότητας διαμορφώνεται κατά SSK. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τη μελέτη της δυνατότητας επίτευξης άνισης προστασίας έναντι λαθών μέσω συνδυαστικής διαμόρφωσης των ροών πληροφορίας των δύο επιπέδων προτεραιότητας στα πεδία του χώρου και των σημάτων. Λαμβάνοντας υπόψη κατάλληλους περιορισμούς κατά την υπέρθεση των συμβόλων που διαμορφώνονται στα δύο ανωτέρω πεδία, το σχήμα πολυσταθμικής μεταλλαγής μετατόπισης χώρου συνδυάζεται με σχήμα ιεραρχικής διαμόρφωσης, οδηγώντας στοπροτεινόμενο σχήμα πολυσταθμικής ιεραρχικής χωρικής διαμόρφωσης (multilevel spatial hierarchical modulation, MSHM).