▼ Today's test methods used for verifying the performance and robustness of automotive applications using wireless communication are often based on fieldtrails, which are time consuming, costly, and not repeatable. Therefore, there is an urgent need for new verification methods that can be performed in lab environment, where the realistic radio propagation environment can be emulated. The telecom industry is using standardized over-the-air (OTA) test methods for verification of their products, e.g., smartphones. In these OTA test methods, different standardized channel models are emulated to reflect different user scenarios, e.g., walking in a city or driving on a highway. One topic in this thesis has been to see if it possible to scale up the used OTA verification methods for smartphones, to a setup where the device under test(DUT) is a car. Detailed studies have been performed on the OTA mutliprobesetup inside an anechoic chamber, using a complete car as the DUT. The measurements were performed on a single-input single-output (SISO) system at5.9 GHz, a frequency band used for vehicle-to-vehicle (V2V) communication.The conclusions we present are that the repeatability is under control for a SISO system and that the desired channel can be emulated. For multiple-input multiple-output (MIMO) systems further research is needed. Emulation of a V2V channel in the OTA test setups requires deep knowledge of the characteristics of the V2V channel, e.g., it could be gathered through measurement based nalysis. In the other research topic, measurement campaigns have been preformed using IEEE 802.11p transceivers (standard for V2V communication) installed in several vehicles, both cars and trucks, a unique campaign in that sense. For the communication links cross all vehicles, estimation of the joint shadowing effects have been possible to make. A cross-correlation model of the large scale fading process is presented for a V2V scenario on a highway. In addition, improved path loss models for both highway and urban scenarios is presented, which consider antenna pattern and other vehicles obstructing the communication.

▼ 

Cette thèse a pour but de proposer toutes les avancées possibles dans l’utilisation du modèle de propagation Multi-Resolution Frequency-Domain ParFlow (MR-FDPF). Etant un modèle de propagation radio déterministe, le modèle MR-FDPF possède un haut niveau de précision, mais souffre des limitations communes à tous les modèles déterministes. Par exemple, un canal radio réel n’est pas déterministe, mais un processus aléatoire à cause par exemple des personnes ou objets mobiles, et ne peut donc être décrit fidèlement par un modèle purement déterministe. Dans cette thèse, un modèle semi-déterministe est proposé, basé sur le modèle MR-FDPF, qui introduit une part stochastique pour tenir compte des aspects aléatoires du canal radio réaliste. La partie déterministe du modèle est composée du path loss (atténuation d’espace), et la partie stochastique venant du shadow fading (masquage) et du small scale fading (évanouissement). De même, de nombreux simulateurs de propagation radio ne proposent que la prédiction de la puissance moyenne. Mais pour une simulation précise de la propagation radio il convient de prédire également des informations de fading permettant dès lors une prédiction précise du taux d’erreur binaire (BER) potentiel. Dans cette thèse, l’information de fading est déduite des simulations MR-FDPF et par la suite des valeurs réalistes de BER sont données. Enfin, ces données réalistes de BER permettent d’évaluer l’impact de schémas de modulation adaptatifs. Des résultats sont présentés dans trois configurations : systèmes SISO (mono-antenne à l’émission et à la réception), systèmes à diversité de type MRC, et systèmes large bande de type OFDM.

This thesis aims at proposing all the possible enhancements for the Multi-Resolution Frequency-Domain ParFlow (MR-FDPF) model. As a deterministic radio propagation model, the MR-FDPF model possesses the property of a high level of accuracy, but it also suffers from some common limitations of deterministic models. For instance, realistic radio channels are not deterministic but a kind of random processes due to, e.g. moving people or moving objects, thus they can not be completely described by a purely deterministic model. In this thesis, a semi-deterministic model is proposed based on the deterministic MR-FDPF model which introduces a stochastic part to take into account the randomness of realistic radio channels. The deterministic part of the semi-deterministic model is the mean path loss, and the stochastic part comes from the shadow fading and the small scale fading. Besides, many radio propagation simulators provide only the mean power predictions. However, only mean power is not enough to fully describe the behavior of radio channels. It has been shown that fading has also an important impact on the radio system performance. Thus, a fine radio propagation simulator should also be able to provide the fading information, and then an accurate Bit Error Rate (BER) prediction can be achieved. In this thesis, the fading information is extracted based on the MR-FDPF model and…

Advisors/Committee Members: Gorce, Jean-Marie (thesis director).

▼ 

Το πρόβλημα της μοντελοποίησης του ασύρματου διαύλου συνίσταται σε ένα ολοένα και αυξανόμενο πλήθος παραμέτρων και ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και να ενσωματώνονται στα πλαίσια του RF σχεδιασμού (Radio-Frequency planning) ενός ασύρματου δικτύου εύρωστης παροχής υπηρεσιών. Ο χαρακτηρισμός του ασύρματου καναλιού προϋποθέτει κάτι περισσότερο από μία ντετερμινιστική εξίσωση που υπολογίζει τις απώλειες οδεύσεως ελεύθερου χώρου συναρτήσει της απόστασης πομπού-δέκτη και της συχνότητας. Ένα αξιόπιστο μοντέλο απωλειών σε μία τέτοια περίπτωση απαιτεί τον συνυπολογισμό των απωλειών λόγω των διάφορων μηχανισμών διάδοσης και εξασθένησης της Η/Μ ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένων των απωλειών λόγω εμποδίων, αλλά και των φαινομένων σκίασης λόγω ανθρώπινης παρεμβολής. Η σημασία της συμβολής της διατριβής έγκειται στην συγκριτική αντιπαραβολή των βασικότερων μοντέλων απωλειών οδεύσεως και στην αριθμητική διόρθωση και επαναξιολόγηση του μοντέλου της ITU για ένα σύνολο τοπολογιών σύνθετης ράδιο-διάδοσης. Οι προτεινόμενες μας αλλαγές στο μοντέλο ITU αύξησαν σημαντικά την αξιοπιστία του όχι μόνο σε σχέση με την αρχική του απόδοση αλλά και συγκριτικά με τα υπόλοιπα μοντέλα. Επιπρόσθετα, υπολογίσαμε αναλυτικά για κάθε τοπολογία την εξασθένηση ανά απόσταση και προβήκαμε στην μοντελοποίηση της γεωγραφικής διασποράς της εξασθένησης ανά απόσταση με τρόπο που μπορεί να αποτελέσει το θεμέλιο ενός προγνωστικού εργαλείου για την παράμετρο αυτή. Επίσης, εξετάσαμε τις διαλείψεις μεγάλης κλίμακας και καταλήξαμε σε μία καινοτόμο μέθοδο για τον υπολογισμό του βάθους σκίασης απευθείας από τα εμπόδια της εκάστοτε τοπολογίας. Η μέθοδος αυτή προτάθηκε και ελέγχθηκε για την ακρίβειά της στα 2.4 GHz, αλλά μπορεί να εφαρμοστεί για κάθε συχνότητα ενδιαφέροντος εφόσον ακολουθηθούν οι διαδικασίες καταμέτρησης των απωλειών σκίασης των εμποδίων κάθε τύπου και πλήθους. Με τη μέθοδο αυτή μπορεί να υπολογιστεί και η εξασθένηση ανά απόσταση μέσω του βάθους σκίασης, συνεπώς είναι εφικτός ο χαρακτηρισμός της εξασθένησης εντός της τοπολογίας χωρίς την αναγκαιότητα πραγματοποίησης εκτεταμένων μετρήσεων. Επιπρόσθετα, εξετάσαμε πώς διαφορετικοί μηχανισμοί ράδιο-διάδοσης οδηγούν σε διαφορετική γεωγραφική διασπορά των τοπικών τιμών της λαμβανόμενης ισχύος. Τέλος, παρουσιάστηκε η λύση της Ασφάλειας Φυσικού Επιπέδου (Wireless Information-Theoretic Security, WITS) με διερεύνηση της επίδρασης των ρεαλιστικών απωλειών οδεύσεων ενός ασύρματου διαύλου με εμπόδια και διαλείψεις στα όρια των τιμών των παραμέτρων, ενώ επίσης εξετάστηκε για πρώτη φορά σε κλειστή μορφή η Αποκοπή Χωρητικότητας Ασφαλείας (Outage Secrecy Capacity). Μελετήσαμε την επίδραση της κινητικότητας των χρηστών στην αξιοπιστία της μεθόδου σε επίπεδο προσομοιώσεων αλλά και με πειραματικές μετρήσεις, αξιολογώντας ποσοτικά και ποιοτικά την επίδρασή τους στα όρια τιμών των παραμέτρων υπό την παρουσία ενός ωτακουστή, και εν συνεχεία σε καθεστώς πολλαπλών ωτακουστών, θεωρώντας μέθοδο συνεργασίας ωτακουστών SC και MRC.

Wireless Channel Modeling…

Advisors/Committee Members: Κωτσόπουλος, Σταύρος, Chrysikos, Theofilos, Κωτσόπουλος, Σταύρος, Καλύβας, Γρηγόριος, Στυλιανάκης, Βασίλειος, Σώρρας, Κωνσταντίνος, Καραγιαννίδης, Γεώργιος, Κουλουρίδης, Σταύρος, Μαράς, Ανδρέας.

▼ 

Wireless Channel Modeling consists of an even more increasing number of factors and parameters that need to be accounted for, in the context of RF planning. Wireless Channel Characterization requires more than a deterministic formula for calculating free space path loss in relation to frequency and distance. A reliable path loss model needs to incorporate in its formula the various propagation mechanisms that influence signal attenuation, including losses due to obstacles and human body shadowing. The importance of our contribution lies in the comparative evaluation and validation of the most fundamental RF path loss models and in the numerical adjustment and re-evaluation of the ITU path loss model for a number of different complex propagation topologies. Our suggested correction to the ITU model has significantly increased its prediction precision compared not only to the initial ITU model but also to all other path loss models in question. In addition, we have calculated the attenuation over distance and modeled the distribution of the local mean values versus distance throughout each topology, in a way that can serve as the foundation of a prediction method for this parameter. The large-scale fading of the received signal has also been characterized and a new empirical method for the calculation of the shadow depth has been introduced. This method has been validated for the 2.4 GHz frequency, but it can be applied to any frequency of interest as long as the respective obstacle-caused losses are measured. Extending this method can be applied in order to calculate the attenuation over distance as a function of shadow depth, therefore allowing us to predict this parameter without extensive measurements. The impact of different propagation mechanisms on the variation of distribution of local mean values of received signal power throughout the topology has also been studied. Finally, the concept of Wireless Information-Theoretic Security (WITS) was discussed, by investigating the impact of channel-dependent variation of path loss on the boundaries of secure communications as defined by WITS parameters, whereas a closed-form expression for Outage Secrecy Capacity was introduced. The impact of user mobility on the range of these parameters was investigated in terms of simulations and experimental measurements, in the presence of a single eavesdropper and also for a multiple eavesdroppers scenario, assuming SC and MRC schemes.

Το πρόβλημα της μοντελοποίησης του ασύρματου διαύλου συνίσταται σε ένα ολοένα και αυξανόμενο πλήθος παραμέτρων και ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και να ενσωματώνονται στα πλαίσια του RF σχεδιασμού (Radio-Frequency planning) ενός ασύρματου δικτύου εύρωστης παροχής υπηρεσιών. Ο χαρακτηρισμός του ασύρματου καναλιού προϋποθέτει κάτι περισσότερο από μία ντετερμινιστική εξίσωση που υπολογίζει τις απώλειες οδεύσεως ελεύθερου χώρου συναρτήσει της απόστασης πομπού-δέκτη και της συχνότητας. Ένα αξιόπιστο μοντέλο απωλειών σε μία τέτοια περίπτωση απαιτεί τον συνυπολογισμό των…

▼ Multiple input multiple output (MIMO) systems are now a proven area in current and future telecommunications research. MIMO wireless channels, in which both the transmitter and receiver have multiple antennas, have been shown to provide high bandwidth efficiency. In this thesis, we cover MIMO communications technology with a focus on cellular systems and the MIMO broadcast channel (MIMO-BC). Our development of techniques and analysis for the MIMO-BC starts with a study of single user MIMO systems. One such single user technique is that of antenna selection. In this thesis, we discuss various flavours of antenna selection, with the focus on powerful, yet straightforward, norm-based algorithms. These algorithms are analyzed and the results of this analysis produce a powerful and flexible power scaling factor. This power scaling factor can be used to model the gains of norm-based antenna selection via a single signal-to-noise ratio (SNR)-based parameter. This provides a powerful tool for engineers interested in quickly seeing the effects of antenna selection on their systems. A novel low complexity power allocation scheme follows on from the selection algorithms. Named “Poor Man’s Waterfilling” (PMWF), this scheme can provide significant gains in low SNR systems with very little extra complexity compared to selection alone. We then compare a variety of algorithms for the MIMO-BC, ranging from selection to beamforming, to the optimal, yet complex, iterative waterfilling (ITWF) solution. In this thesis we show that certain algorithms perform better in different scenarios, based on whether there is shadow fading or not. A power scaling factor analysis is also performed on these systems. In the cases where the user’s link gains are widely varying, such as when shadowing and distance effects are present, user fairness is impaired when optimal and near optimal throughput occurs. This leads to a key problem in the MIMO-BC, the balance between user fairness and throughput performance. In an attempt to find a suitable balance between these two factors, we modify the ITWF algorithm by both introducing extra constraints and also by using a novel utility function approach. Both these methods prove to increase user fairness with only minor loss in throughput over the optimal systems. The introduction of MIMO systems to the cellular domain has been hampered by the effects of interference between the cells. In this thesis we move MIMO to the cellular domain, addressing the interference using two different methods. We first use power control, where the transmit power of the base station is controlled to optimize the overall system throughput. This leads to promising results using low complexity methods. Our second method is a novel method of collaboration between base stations. This collaboration transforms neighbouring cell sectors into macro-cells and this results in substantial increases in performance.