ΠΕ4. Ενεργειακά Αποδοτικές Δορυφορικές Επικοινωνίες: Τεχνικές Φυσικού Επιπέδου Θανάσης Ροντογιάνης

Η ομάδα ασύρματων τηλεπικοινωνιών (ΟΑΤ) του ΙΑΑΔΕΤ Μέλη Παναγιώτης Μαθιόπουλος Θανάσης Ροντογιάννης Ένας αριθμός Υ.Δ. και μεταδιδακτορικών ερευνητών Ερευνητικά ενδιαφέροντα Μελέτη επίδοσης ασύρματων τηλεπικοινωνιακών καναλιών Εκτίμηση / ιστοστάθμιση ασύρματων καναλιών Δέκτες διαφορισμού / χωρο-χρονική κωδικοποίηση Συστήματα MIMO / συνεργατικά συστήματα Συστήματα μετάδοσης με πολλαπλές φέρουσες Cognitive radio

Η ομάδα ασύρματων τηλεπικοινωνιών (ΟΑΤ) του ΙΑΑΔΕΤ Πρόσφατες δημοσιεύσεις V. Dalakas, P. T. Mathiopoulos, F. Di Cecca, and G. Gallinaro "A comparative study between SC-FDMA and OFDMA schemes for satellite uplinks", IEEE Transactions on Broadcasting, pp. 370-378, Sept. 2012 L. Jacobs, G. C. Alexandropoulos, M. Moenecley, H. Bruneel and P. T. Mathiopoulos, "Analysis and efficient evaluation of the BER of OSTBCs with imperfect channel estimation in arbitrarily correlated fading channels," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 59, pp. 2720 - 2733, June 2011 G.A. Ropokis, A.A. Rontogiannis, K. Berberidis, “BER Performance Analysis of Cooperative DaF Relay Networks and a New Optimal DaF Strategy”, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 10, no. 4, pp. 1044- 1049, April 2011. G. Ropokis, A.A. Rontogiannis, P.T. Mathiopoulos, K. Berberidis “An Exact Performance Analysis of MRC/OSTBC over Generalized Fading Channels”, IEEE Transactions on Communications, vol. 58, no. 9, pp. 2486-2492, Sept. 2010. A. Lalos, A.A. Rontogiannis, K. Berberidis, “Frequency Domain Channel Estimation for Cooperative Communication Networks”, IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 58, no. 6, pp. 3400-3405, June 2010. P. S. Bithas, N. C. Sagias, and P. T. Mathiopoulos, “GSC diversity receivers over generalized-Gamma fading channels,” IEEE Transactions on Communications, vol. 57, no. 9, pp. 2655 -2662, Sept. 2009. G. Ropokis, A.A. Rontogiannis, P.T. Mathiopoulos, “Quadratic Forms in Normal RVs: Theory and Applications to OSTBC over Hoyt Fading Channels”, IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 7, no. 12, pp. 5009- 5019, Dec. 2008. Z. Wang, P. T. Mathiopoulos and R. Schober, “Performance analysis and improvements methods for channel resource management strategies of LEO-MSS with multi-party traffic,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. V58, pp. 3832-3842, Nov. 2008.

Η ομάδα ασύρματων τηλεπικοινωνιών (ΟΑΤ) του ΙΑΑΔΕΤ Ερευνητικά προγράμματα SATNEX-III , Funded by ESA, i) COO-1 Terrabit Satellite Networks (2010-11) ii) COO-2 Flexible and High Performance Adaptive Modulations and Coding Techniques for Satellite Multimedia Applications (2011-12) Satellite Communications Network of Excellence (SatNex), EC Framework Programme 6 Project IST-507052. OFDM Digital Transmission Techniques for Broadband Satellites, funded by ESA Development of Efficient Space-Time Techniques for Wireless MIMO Communication Systems, funded by the Greek Secretariat for Research and Technology. Sensor Networks: New algorithms, Protocol Design and Performance Analysis, funded by the Greek Secretariat for Research and Technology. Turbo Equalization Techniques for Non-Linear Satellite Communication Systems, bilateral project, funded by the Greek Secretariat for Research and Technology and the Italian Ministry of External Affairs.

Η ομάδα του ΙΑΑΔΕΤ στο έργο Μέλη κύριας ερευνητικής ομάδας (Κ.Ε.Ο): Παναγιώτης Μαθιόπουλος Θανάσης Ροντογιάννης (υπεύθυνος ομάδας στο έργο) Μέλη ομάδας εξωτερικών συνεργατών (Ο.Ε.Σ.): Γεράσιμος Μηλεούνης Κωνσταντίνα Κανελλοπούλου (Γιώργος Ροπόκης)

Περιγραφή Πακέτου Εργασίας 4 Το Πακέτο Εργασίας 4 περιλαμβάνει τις παρακάτω δράσεις: Δ.4.1. : Ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ισχύος σε συστήματα διαφορισμού πομπού και δέκτη Δ.4.2. : Βελτιστοποίηση στην κατανάλωση ισχύος σε συστήματα με πολλαπλές φέρουσες Δ.4.3. : Αποδοτικές ως προς την κατανάλωση ισχύος τεχνικές διαμόρφωσης για δορυφορικά συστήματα Δ.4.4. : Δορυφορικά συστήματα πολλαπλών δεσμών

Δράση 4.1: Εισαγωγικά στοιχεία Ασύρματη μετάδοση Φυσικοί μηχανισμοί μετάδοσης Ανάκλαση Διάθλαση Σκέδαση Το σήμα στο δέκτη προκύπτει από το γραμμικό συνδυασμό τυχαία εξασθενημένων αντιγράφων Χαρακτηρίζεται από διαλείψεις (fading) δηλαδή μεγάλες αυξομειώσεις της λαμβανόμενης ισχύος Οι διαλείψεις περιγράφονται από κατάλληλα στοχαστικά μοντέλα

Δράση 4.1: Εισαγωγικά στοιχεία Η επίδραση των διαλείψεων μοντελοποιείται με χρήση τυχαίων μεταβλητών Για την μοντελοποίηση του πλάτους |h| του καναλιού, υπάρχει μία πληθώρα περιπτώσεων (Rayleigh, Nakagami-m, Rice, Hoyt, κλπ). Κριτήρια επίδοσης: μέσος ρυθμός σφαλμάτων bit και συμβόλων, εργοδική χωρητικότητα, πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας και πληροφορίας, κλπ. Οι μετρικές αυτές είναι συναρτήσεις του σηματοθορυβικού λόγου (SNR), γ.

Δράση 4.1: Εισαγωγικά στοιχεία Η επίδραση των διαλείψεων μπορεί να περιορισθεί και η αξιοπιστία του συστήματος να βελτιωθεί με τη χρήση δεκτών διαφορισμού Για δέκτη MRC είναι: gi=hi* Το σήμα στην έξοδο του δέκτη έχει την μορφή:

Δράση 4.1: Εισαγωγικά στοιχεία Εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρο-χρονική κωδικοποίηση στον πομπό Μετάδοση σε blocks μεγέθους n σε Τ χρονικές στιγμές. Ρυθμός κώδικα: R=n/T. Με ορθογώνια block χωρο-χρονική κωδικοποίηση:

Δράση 4.1 : Διατύπωση του προβλήματος Ο ενεργειακά αποδοτικός σχεδιασμός θα βασίζεται σε έναν ή συνδυασμό από τους παρακάτω παράγοντες: στην ελαχιστοποίηση των απαιτούμενων κλάδων διαφορισμού στην μείωση του αριθμού των εκτιμήσεων καναλιού στην επιλογή της κατάλληλης τάξης διαμόρφωσης της αποστελλόμενης ακολουθίας συμβόλων Σκοπός δράσης συνοπτικά : “ο σχεδιασμός διατάξεων διαφορισμού στο δέκτη η/και τον πομπό ώστε να ελαχιστοποιείται η συνολική απαιτούμενη ενέργεια και παράλληλα να ικανοποιούνται κάποια κριτήρια επίδοσης”

Δράση 4.1 : Σύγχρονες τάσεις στο θέμα Πρόοδος που έχει επιτευχθεί Βέλτιστος ενεργειακά σχεδιασμός δεκτών διαφορισμού. Ελαχιστοποίηση του αριθμού των κλάδων και του πλήθους των εκτιμήσεων του καναλιού με το SNR πάνω από μια τιμή κατωφλίου. Βελτιστοποίηση της τάξης διαμόρφωσης και της δομής του δέκτη διαφορισμού με βάση την κατάσταση του καναλιού (Rayleigh) και περιορισμούς ως προς το BER. Πρόοδος που έχει επιτευχθεί Ενεργειακά αποδοτικός σχεδιασμός διαφορισμού στον πομπό. Υπολογισμός του αριθμού των κλάδων και της ενέργειας σε κάθε κλάδο ώστε η συνολική ενέργεια μετάδοσης να ελαχιστοποιείται.

Δράση 4.1 : Στόχοι Μελέτη ενεργειακά αποδοτικών συστημάτων διαφορισμού για δορυφορικές επικοινωνίες Ελαχιστοποίηση της ενέργειας μετάδοσης ή/και του αριθμού των κλάδων για δέκτες διαφορισμού MRC σε περιβάλλον διαλείψεων Rice με περιορισμό ως προς την πιθανότητα διακοπή επικοινωνίας. Ελαχιστοποίηση της ενέργειας μετάδοσης ή/και του αριθμού των κλάδων για δέκτες διαφορισμού MRC σε περιβάλλον διαλείψεων Hoyt με περιορισμό ως προς την πιθανότητα σφαλμάτων bit. Ελαχιστοποίηση της ενέργειας μετάδοσης για διαφοριστές OSTBC σε περιβάλλον διαλείψεων Shadowed-Rice με περιορισμό ως προς την πιθανότητα διακοπή επικοινωνίας. Αν δεν προκύψουν κλειστές αναλυτικές μορφές, θα αναζητηθούν επαναληπτικοί αλγόριθμοι.

Δράση 4.2 : Εισαγωγικά στοιχεία Orthogonal Frequency Division Multiplexing Αποδοτικό φασματικά Αποτελεσματική αντιμετώπιση του προβλήματος της διασυμβολικής παρεμβολής Αποτελεσματική υλοποίηση με τη χρήση του γρήγορου μετασχηματισμού Fourier Ευέλικτο στην κατανομή των πόρων

Δράση 4.2 : Εισαγωγικά στοιχεία Multi Input Multi Output - OFDM Συχνοτική και χωρική διαφορικότητα Κέρδος πολυπλεξίας

Δράση 4.2 : Διατύπωση του προβλήματος Σκοπός δράσης συνοπτικά : “η βέλτιστη παραχώρηση ισχύος σε συστήματα με πολλαπλές φέρουσες, ώστε να μεγιστοποιείται ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων ή να ελαχιστοποιείται η πιθανότητα σφαλμάτων στο δέκτη λαμβάνοντας υπόψη την ενεργειακή απόδοση” Η τεχνολογία μετάδοσης με πολλαπλές φέρουσες πρέπει να ρυθμίζει παράλληλα : την ισχύ  το πλήθος των bits ανά σύμβολο, που αποδίδεται σε κάθε κανάλι  και να ανταποκρίνεται σε συγκεκριμένου περιορισμούς, όπως: τον επιθυμητό ρυθμό μετάδοσης  την ελάχιστη αποδεκτή πιθανότητα σφάλματος  την ελαχιστοποίηση της απαιτούμενης ενέργειας ?

Δράση 4.2 : Διατύπωση του προβλήματος Επέλεξε τα A0,A2,…,AN-1 και P1,P2,…,PN-1, ώστε να ελαχιστοποιείται η συνολική ισχύς P (ή η μέση τιμή της) για προκαθορισμένες τιμές ρυθμού μετάδοσης και ρυθμού σφαλμάτων. Ο πομπός θα πρέπει να έχει γνώση του καναλιού: ντετερμινιστική ή στατιστική (π.χ. μέσες τιμές της ισχύος των καναλιών) x0 S to P Mod/Power loading (Ak, Pk) IFFT Data Source x1 xΝ-1

Δράση 4.2 : Σύγχρονες τάσεις στο θέμα Πρόοδος που έχει επιτευχθεί Αναζήτηση του βέλτιστου διάνυσματος ρυθμών μετάδοσης και τάξεων διαμόρφωσης ανά κανάλι, ώστε να μεγιστοποιείται η ενεργειακή αποδοτικότητα. Άμεση σύνδεση του προβλήματος βελτιστοποίησης με τις παραμέτρους των καναλιών Κλειστοί τύποι για ντετερμινιστική γνώση του καναλιού. Επαναληπτικοί αλγόριθμοι για στατιστική γνώση του καναλιού.

Δράση 4.2 : Στόχοι (proposal) Μελέτη συστημάτων OFDM με πολλές κεραίες στον πομπό και το δέκτη Αυτό εισάγει μια ακόμα παράμετρο στο πρόβλημα βελτιστοποίησης Μελέτη της ενεργειακής αποδοτικότητας για συστήματα OFDM στο πλαίσιο ενός χρονικά μεταβαλλόμενου περιβάλλοντος (π.χ. land-mobile satellite-LMS) Στόχος είναι να αποφεύγεται ο συνολικός επανασχεδιασμός της κατανομής της ισχύος στα κανάλια

Δράση 4.2 : Σύγχρονοι Στόχοι Σχεδιασμός προκωδικοποιητή που βελτιστοποιεί την απαιτούμενη ενέργεια σε ΜΙΜΟ συστήματα εύρεση τέτοιων προκωδικοποιητών που βελτιστοποιούν τις μετρικές ενεργειακής απόδοσης Μελέτη της ενεργειακής αποδοτικότητας σε επίπεδο κεραίας δοθέντος ότι κάθε κεραία έχει: τους δικούς της περιορισμούς ισχύος, υπολογιστικές δυνατότητες, και διαφορετικά διαγραμματα ακτινοβολίας.

Δράση 4.3 : Διατύπωση του προβλήματος Σκοπός δράσης συνοπτικά : “αξιοποίηση των δυνατοτήτων της διαμόρφωσης CPM (continuous phase modulation), για την ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών τεχνικών για δορυφορικές επικοινωνίες” Γιατί διαμόρφωση CPM ; ενεργειακά αποδοτική  βέλτιστη χρήση του εύρους ζώνης  εξασφάλιση χαμηλών ρυθμών σφαλμάτων  διαμόρφωση με σταθερή περιβάλλουσα  ανθεκτική σε μη-γραμμικές επιδράσεις  Μειονεκτήματα/προκλήσεις; Μη-γραμμική σχέση των μεταδιδόμενων δεδομένων με το σήμα CPM ιδιαίτερα στην περίπτωση συχνοτικά επιλεκτικών καναλιών Σοβαρή υποβάθμιση της επίδοσης του τηλεπικοινωνιακού συστήματος

χαρακτηριστικά του CPM Δράση 4.3 : Βασικά χαρακτηριστικά του CPM Αποδοτικό ενεργειακά Αποδοτικό φασματικά Ανθεκτικό σε μη- γραμικότητες Υψηλό κόστος ισόστάθμισης

Δράση 4.3 : Σύγχρονες τάσεις στο θέμα Πρόοδος που έχει επιτευχθεί Μελέτη κατάλληλων  τεχνικών διόρθωσης και ανίχνευσης σφαλμάτων χρήση BCH, Hamming αλλά και συνελικτικών κωδίκων Ισοστάθμιση συστημάτων που διεγείρονται από CPM σήματα Αποδοτικοί αλγόριθμοι που βασίζονται στην αναπαράσταση του σήματος στο πεδίο των συχνοτήτων Από κοινού ισοστάθμιση/αποκωδικοποίηση του CPM σήματος

Δράση 4.3 : Σύγχρονες τάσεις στο θέμα Πρόοδος που έχει επιτευχθεί Τυφλή εκτίμηση συστημάτων που διεγείρονται από CPM σήματα Παραλλαγές του EM αλγορίθμου Κάνοντας χρήση στατιστικών υψηλοτέρων τάξεων Τεχνικές χωροχρονικής κωδικοποίησης για CPM σήματα Επικεντρώθηκε σε MIMO συστήματα 2x2 Η μελέτη έχει εστιάσει σε συχνοτικά επιλεκτικά κανάλια Έχουν παρουσιαστεί κατανεμημένες τεχνικές χωρο-χρονικής κωδικοποίησης

Δράση 4.3 : Στόχοι ανάπτυξη νέων αλγορίθμων ισοστάθμισης/εκτίμησης για CPM σημάτα αναζήτηση λύσεων στο πρόβλημα της επιλογής τεχνικών διόρθωσης λαθών και των παραμέτρων της CPM διαμόρφωσης ανάπτυξη τεχνικών συνεργατικής χωροχρονικής κωδικοποίησης για CPM διαμόρφωση

Δράση 4.4: Εισαγωγικά στοιχεία Η τεχνολογία πολλαπλών δεσμών είναι μια από τις λύσεις που εξετάζονται για μελλοντικά δορυφορικά συστήματα Ο δορυφόρος χρησιμοποιείται για να καλύψει τις ανάγκες χρηστών σε μια περιοχή χωρισμένη σε Ν κυψέλες, με ένα μικρό αριθμό Κ (Κ<Ν) δεσμών. Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων από διαφορετικές δέσμες είναι δυνατή. Επειδή οι τηλεπικοινωνιακοί πόροι του δορυφόρου είναι ακριβοί, πρέπει να σχεδιασθεί κατάλληλα η βέλτιστη παραχώρηση πόρων στην επικοινωνία downlink.

Δράση 4.4: Διατύπωση του προβλήματος Αν ο στόχος είναι η προσφερόμενη χωρητικότητα Ci να είναι κοντά στην απαιτούμενη χωρητικότητα Fi από κάθε κυψέλη: Αλλες μετρικές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν

Δράση 4.4: Διατύπωση του προβλήματος Λόγω της επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων εμφανίζεται διακαναλική παρεμβολή (co-channel interference) Μπορεί να μοντελοποιηθεί ως ένα σύστημα πολλών-εισόδων και πολλών εξόδων (MIMO) Είναι προτιμότερο από την άποψη υπολογιστικής αποδοτικότητας, να πραγματοποιηθεί ακύρωση των παρεμβολών στον πομπό (δορυφόρο).

Δράση 4.4 : Σύγχρονες τάσεις στο θέμα Πρόοδος που έχει επιτευχθεί Βέλτιστη παραχώρηση πόρων σε συστήματα πολλαπλών δεσμών Επίλυση του προβλήματος αριθμητικά για Κ=Ν και σε κλειστές μορφές για ειδικές περιπτώσεις Επίλυση του προβλήματος για Κ<Ν, αριθμητικά. Ακύρωση διακαναλικής παρεμβολής σε συστήματα πολλαπλών δεσμών Αλγόριθμοι γραμμικής προκωδικοποίησης στον πομπό και αλγόριθμοι προκωδικοποίησης Tomlinson-Harashima

Δράση 4.4 : Στόχοι Κατανομή ισχύος σε συστήματα πολλαπλών δεσμών με βάση όχι μόνο τις απαιτήσεις των χρηστών σε ρυθμούς μετάδοσης αλλά και την ελαχιστοποίηση της συνολικής ισχύος στο δορυφόρο που απαιτείται για το σκοπό αυτό Ακύρωση διακαναλικής παρεμβολής με χρήση τεχνικών ευθυγράμμισης παρεμβολών (interference alignment)