Advanced receivers for next generation wireless communication systems

Despite extensive progress on the theoretical aspects of spectral efficient communication systems, hardware impairments, such as phase noise, are the key bottlenecks in next generation wireless communication systems. The presence of non-ideal oscillators at the transceiver introduces time varying phase noise and degrades the performance of the communication system. Significant research literature focuses on joint synchronization and decoding based on joint posterior distribution, which incorporate both the channel and code graph. These joint synchronization and decoding approaches operate on well designed sum-product algorithms, which involves calculating probabilistic messages iteratively passed between the channel statistical information and decoding information. Channel statistical information, generally entails a high computational complexity because its probabilistic model may involve continuous random variables. The detailed knowledge about the channel statistics for these algorithms make them an inadequate choice for real world applications due to power and computational limitations. In this thesis, novel phase estimation strategies are proposed, in which soft decision-directed iterative receivers for a separate A Posteriori Probability (APP)-based synchronization and decoding are proposed. These algorithms do not require any a priori statistical characterization of the phase noise process. The proposed approach relies on a Maximum A Posteriori (MAP)-based algorithm to perform phase noise estimation and does not depend on the considered modulation/coding scheme as it only exploits the APPs of the transmitted symbols. Different variants of APP-based phase estimation are considered. The proposed algorithm has significantly lower computational complexity with respect to joint synchronization/decoding approaches at the cost of slight performance degradation. With the aim to improve the robustness of the iterative receiver, we derive a new system model for an oversampled (more than one sample per symbol interval) phase noise channel. We extend the separate APP-based synchronization and decoding algorithm to a multi-sample receiver, which exploits the received information from the channel by exchanging the information in an iterative fashion to achieve robust convergence. Two algorithms based on sliding block-wise processing with soft ISI cancellation and detection are proposed, based on the use of reliable information from the channel decoder. Dually polarized systems provide a cost-and spatial-effective solution to increase spectral efficiency and are competitive candidates for next generation wireless communication systems. A novel soft decision-directed iterative receiver, for separate APP-based synchronization and decoding, is proposed. This algorithm relies on an Minimum Mean Square Error (MMSE)-based cancellation of the cross polarization interference (XPI) followed by phase estimation on the polarization of interest. This iterative receiver structure is motivated from Master/Slave Phase Estimation (M/S-PE), where M-PE corresponds to the polarization of interest. The operational principle of a M/S-PE block is to improve the phase tracking performance of both polarization branches: more precisely, the M-PE block tracks the co-polar phase and the S-PE block reduces the residual phase error on the cross-polar branch. Two variants of MMSE-based phase estimation are considered; BW and PLP.

Sviluppo e applicazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali in leghe di acciaio e alluminio

La presente Tesi ha per oggetto lo sviluppo e la validazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali metallici . In particolare, i nuovi criteri formulati risultano applicabili a componenti metallici, soggetti ad un’ampia gamma di configurazioni di carico: carichi multiassiali variabili nel tempo, in modo ciclico e random, per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Tali criteri costituiscono un utile strumento nell’ambito della valutazione della resistenza/vita a fatica di elementi strutturali metallici, essendo di semplice implementazione, e richiedendo tempi di calcolo piuttosto modesti. Nel primo Capitolo vengono presentate le problematiche relative alla fatica multiassiale, introducendo alcuni aspetti teorici utili a descrivere il meccanismo di danneggiamento a fatica (propagazione della fessura e frattura finale) di componenti strutturali metallici soggetti a carichi variabili nel tempo. Vengono poi presentati i diversi approcci disponibili in letteratura per la verifica a fatica multiassiale di tali componenti, con particolare attenzione all'approccio del piano critico. Infine, vengono definite le grandezze ingegneristiche correlate al piano critico, utilizzate nella progettazione a fatica in presenza di carichi multiassiali ciclici per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Il secondo Capitolo è dedicato allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione della resistenza a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato in termini di tensioni. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2011. In particolare, il primo intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico: nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico a quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Il secondo intervento è relativo alla definizione dell'ampiezza della tensione tangenziale e un nuovo metodo, noto come Prismatic Hull (PH) method (di Araújo e collaboratori), viene implementato nell'algoritmo. L'affidabilità del criterio viene poi verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura. Nel terzo Capitolo viene proposto un criterio di nuova formulazione per la valutazione della vita a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e basso/medio numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico, ed è formulato in termini di deformazioni. In particolare, la formulazione proposta trae spunto, come impostazione generale, dal criterio di fatica multiassiale in regime di alto numero di cicli discusso nel secondo Capitolo. Poiché in presenza di deformazioni plastiche significative (come quelle caratterizzanti la fatica per basso/medio numero di cicli di carico) è necessario conoscere il valore del coefficiente efficace di Poisson del materiale, vengono impiegate tre differenti strategie. In particolare, tale coefficiente viene calcolato sia per via analitica, che per via numerica, che impiegando un valore costante frequentemente adottato in letteratura. Successivamente, per validarne l'affidabilità vengono impiegati numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura; i risultati numerici sono ottenuti al variare del valore del coefficiente efficace di Poisson. Inoltre, al fine di considerare i significativi gradienti tensionali che si verificano in presenza di discontinuità geometriche, come gli intagli, il criterio viene anche esteso al caso dei componenti strutturali intagliati. Il criterio, riformulato implementando il concetto del volume di controllo proposto da Lazzarin e collaboratori, viene utilizzato per stimare la vita a fatica di provini con un severo intaglio a V, realizzati in lega di titanio grado 5. Il quarto Capitolo è rivolto allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione del danno a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali random e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato nel dominio della frequenza. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2014. In particolare, l’intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico, e nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico con quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Infine, l’affidabilità del criterio viene verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura.