Μελέτη εφαρμογής της μεθόδου ιχνηλάτησης ακτινοβολίας στη χωρο-χρονική επεξεργασία ασύρματων καναλιών πολλαπλών εισόδων και εξόδων.

Abstract

Με την ταχεία εξέλιξη της τεχνολογίας στις εφαρμογές ασύρματης μετάδοσης ευρείας ζώνης, το κατάλληλο εύρος συχνοτήτων εξαντλείται πολύ γρήγορα, χωρίς την δυνατότητα πυκνής επαναχρησιμοποίησης. Κατά καιρούς έχουν χρησιμοποιηθεί πολλές τεχνικές πολυπλεξίας για συστήματα ασύρματης μετάδοσης ώστε να αποταμιευτεί εύρος συχνοτήτων, στην παρούσα πτυχιακή εργασία παρουσιάζεται μια νέα τέτοια τεχνική που χρησιμοποιείται στα συστήματα πολλαπλών εισόδων - πολλαπλών εξόδων (MIMO, Multiple Input - Multiple Output). Η τεχνική αυτή εκμεταλλεύεται το φαινόμενο των πολλαπλών διαδρομών, χρησιμοποιώντας πολυπλεξία στο επίπεδο του χώρου. Η λειτουργία των πομποδεκτών βασίζεται στη χρήση στοιχειοκεραιών και στη λήψη σημάτων με διαφορετική καθυστέρηση σε κάθε στοιχείο της κεραίας και στην σύγκριση αυτών των σημάτων. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα ΜΙΜΟ συστήματα, με σύντομη ιστορική αναφορά για την εξέλιξη τους και την παρούσα κατάσταση στον εμπορικό κόσμο και τους τομείς που εξοπλίζονται με αυτά. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται επισκόπηση του καναλιού MIMO και των βασικών χωρο-χρονικών τεχνικών επεξεργασίας. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται τα τροποποιημένα μοντέλα σκέδασης που βασίζονται στην ανάκλαση από επιφάνειες με ενεργό τραχύτητα (ER, Effective Roughness), και τα προτεινόμενα μοντέλα που ενσωματώνονται στο προηγμένο εργαλείο ιχνηλάτησης ακτινοβολίας (RT, Ray Tracing), που επικυρώνονται από τις συγκρίσεις μεταξύ μετρήσεων και προσομοιώσεων. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται δύο νέες τεχνικές απλοποίησης των βάσεων δεδομένων που επιταχύνουν τις μεθόδους ιχνηλάτησης ακτινοβολίας (RT, Ray Tracing), προκειμένου να μειωθεί το υπολογιστικό φορτίο αυτών των μεθόδων, συντηρώντας την αξιοπιστία των προβλέψεων στενής και ευρείας ζώνης. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η ικανότητα της μεθόδου ιχνηλάτησης ακτινοβολίας (RT) να προσομοιώνει σωστά τις χρονικές και χωρικές ιδιότητες σκέδασης του ραδιοκαναλιού (καθυστέρηση διάδοσης, γωνία διάδοσης, διαγράμματα καθυστέρησης/ισχύος και ισχύος/αζιμούθιου). Επιπλέον πραγματοποιείται εκτενής και πολυδιάστατη ανάλυση των πολλαπλών διαδρομών διάδοσης σε αστικό περιβάλλον micro- και macro- κυψελών. Παράμετροι στενής και ευρείας ζώνης, υπολογίζονται με έναν περίπλοκο σφαιρικό δέκτη στοιχειοκεραιών και εξομοιώνονται με το εργαλείο ιχνηλάτησης ακτινοβολίας (RT, Ray Tracing). Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο θεμελιώδης ρόλος της διάχυτης σκέδασης στην πρόβλεψη του κέρδους χωρητικότητας των συστημάτων MIMO, μέσω των συγκρίσεων μεταξύ προβλέψεων και μετρήσεων των ακτίνων.

With the rapid development of technology in the broadband applications of wireless transmission, the suitable breadth of frequencies is exhausted very fast, without the possibility of dense re-use. Occasionally they have been used a lot of multiplexing techniques for systems of wireless transmission so that is saved up breadth of frequencies, in the present final work presents a new such technique that you use in systems MIMO (Multiple Input - Multiple Output). This technique exploits the phenomenon of multiple paths, using multiplexing in space. The operation of transceivers is based on the use patch antenna and on the reception of signal with different delay in each element of aerial and in the comparison of these signals. In the first chapter is developed an import with regard to study systems. In this chapter is included also a short historical report on the development of MIMO systems as well as on the present situation in the commercial world and the sectors that are equipped with them. In the second chapter an overview of the MIMO channel and of the main space-time processing techniques is given. In the third chapter the modified diffuse scattering models based on the Effective Roughness (ER) approach are described and the proposed models that are incorporated in the advanced Ray Tracing (RT) tool, that are validated through comparisons between measurements and simulations. In the fourth chapter, are proposed two advanced techniques of database simplification and speed-up for Ray Tracing (RT) models, so that is decreased the calculating charge of methods maintaining the reliability of limited also wide area of forecasts. In the fifth chapter, the capability of ray tracing to correctly reproduce the temporal and spatial dispersion properties of the radio channel (delay spread, angle spread, power-delay and power-azimuth profiles) is shown: in particular, an extensive, multidimensional analysis of multipath propagation in urban micro- and macro-cellular environment is carried out. Narrowband and wideband parameters, measured with a sophisticated spherical array antenna receiver and simulated with the Ray Tracing (RT) tool are analyzed and compared. Finally, in the sixth chapter is presented the fundamental role of diffuse scattering in the forecast of profit of capacity of MIMO, via the comparisons between forecasts and measurements of beams.