Advanced energy efficient coordinated multi-point transmission for OFDMA

The ever-growing energy consumption in mobile networks stimulated by the expected growth in data tra ffic has provided the impetus for mobile operators to refocus network design, planning and deployment towards reducing the cost per bit, whilst at the same time providing a signifi cant step towards reducing their operational expenditure. As a step towards incorporating cost-eff ective mobile system, 3GPP LTE-Advanced has adopted the coordinated multi-point (CoMP) transmission technique due to its ability to mitigate and manage inter-cell interference (ICI). Using CoMP the cell average and cell edge throughput are boosted. However, there is room for reducing energy consumption further by exploiting the inherent exibility of dynamic resource allocation protocols. To this end packet scheduler plays the central role in determining the overall performance of the 3GPP longterm evolution (LTE) based on packet-switching operation and provide a potential research playground for optimizing energy consumption in future networks. In this thesis we investigate the baseline performance for down link CoMP using traditional scheduling approaches, and subsequently go beyond and propose novel energy e fficient scheduling (EES) strategies that can achieve power-e fficient transmission to the UEs whilst enabling both system energy effi ciency gain and fairness improvement. However, ICI can still be prominent when multiple nodes use common resources with di fferent power levels inside the cell, as in the so called heterogeneous networks (Het- Net) environment. HetNets are comprised of two or more tiers of cells. The rst, or higher tier, is a traditional deployment of cell sites, often referred to in this context as macrocells. The lower tiers are termed small cells, and can appear as microcell, picocells or femtocells. The HetNet has attracted signiffi cant interest by key manufacturers as one of the enablers for high speed data at low cost. Research until now has revealed several key hurdles that must be overcome before HetNets can achieve their full potential: bottlenecks in the backhaul must be alleviated, as well as their seamless interworking with CoMP. In this thesis we explore exactly the latter hurdle, and present innovative ideas on advancing CoMP to work in synergy with HetNet deployment, complemented by a novel resource allocation policy for HetNet tighter interference management. As system level simulator has been used to analyze the proposed algorithm/protocols, and results have concluded that up to 20% energy gain can be observed.

Prototipagem ágil centrada no utilizador : aplicações de second screen

Com o desenvolvimento das tecnologias da Comunicação, o ser humano tem alterado os seus hábitos de consumo televisivo. Neste contexto, destaca-se o uso de aplicações mobile designadas como Second Screen, as quais, entre outras possibilidades, permitem interagir com conteúdos adicionais aos que se encontram a ser transmitidos na televisão. Sendo este fenómeno relativamente recente, pretende-se compreender qual a abordagem a adotar no desenvolvimento de uma prototipagem ágil de aplicações Second Screen centradas no utilizador. De modo a compreender o respetivo processo, iniciou-se o estudo com um enquadramento teórico, que possibilitou a familiarização com as aplicações Second Screen e ferramentas de prototipagem ágil já existentes. Após o enquadramento teórico, procedeu-se à criação de dois mockups de aplicações Second Screen, que foram testados em Focus Groups. A partir dos dados obtidos, desenvolveram-se dois protótipos ágeis, os quais foram submetidos a uma última fase de testes (Experimentação por observação, Entrevista e Questionário de avaliação, respetivamente). Os participantes deste estudo foram os mesmos para ambas as fases de testes, constituindo um grupo de consumidores, um grupo de designers e um grupo de especialistas na área de prototipagem. Os resultados obtidos, a partir dos protótipos concebidos, comprovam a validade do processo realizado neste estudo, podendo este ser usado para desenvolver protótipos de aplicações mobile e Second Screen.

Inter layer and cooperative design strategies for green mobile networks

The promise of a truly mobile experience is to have the freedom to roam around anywhere and not be bound to a single location. However, the energy required to keep mobile devices connected to the network over extended periods of time quickly dissipates. In fact, energy is a critical resource in the design of wireless networks since wireless devices are usually powered by batteries. Furthermore, multi-standard mobile devices are allowing users to enjoy higher data rates with ubiquitous connectivity. However, the bene ts gained from multiple interfaces come at a cost in terms of energy consumption having profound e ect on the mobile battery lifetime and standby time. This concern is rea rmed by the fact that battery lifetime is one of the top reasons why consumers are deterred from using advanced multimedia services on their mobile on a frequent basis. In order to secure market penetration for next generation services energy e ciency needs to be placed at the forefront of system design. However, despite recent e orts, energy compliant features in legacy technologies are still in its infancy, and new disruptive architectures coupled with interdisciplinary design approaches are required in order to not only promote the energy gain within a single protocol layer, but to enhance the energy gain from a holistic perspective. A promising approach is cooperative smart systems, that in addition to exploiting context information, are entities that are able to form a coalition and cooperate in order to achieve a common goal. Migrating from this baseline, this thesis investigates how these technology paradigm can be applied towards reducing the energy consumption in mobile networks. In addition, we introduce an additional energy saving dimension by adopting an interlayer design so that protocol layers are designed to work in synergy with the host system, rather than independently, for harnessing energy. In this work, we exploit context information, cooperation and inter-layer design for developing new energy e cient and technology agnostic building blocks for mobile networks. These technology enablers include energy e cient node discovery and short-range cooperation for energy saving in mobile handsets, complemented by energy-aware smart scheduling for promoting energy saving on the network side. Analytical and simulations results were obtained, and veri ed in the lab on a real hardware testbed. Results have shown that up to 50% energy saving could be obtained.

Design para o futuro: o indivíduo entre o artifício e a natureza

O presente trabalho tem como objectivo contribuir para o aprofundamento de estudos vocacionados para a evolução do mundo material enquanto factor determinante para o futuro do Planeta, do Homem e dos seus artifícios. Sendo o tema central da investigação o Design Industrial enquanto mediador incontornável dessa relação, os conceitos de Design Biónico, de Design Natural, de Biodesign e de Design Simbiótico, assim como as metodologias a si inerentes, assumem-se como protagonistas do estudo desenvolvido. A tese é composta por um primeiro capítulo introdutório onde se define o seu objecto de estudo e se apresentam as linhas condutoras da investigação. O segundo capítulo é dedicado ao enquadramento teórico dos temas a abordar, nomeadamente o conceito de “artifício” considerando os seus tradicionais e novos significados e aplicações e a História do Design Industrial numa perspectiva que considera a evolução da indústria e da disciplina nesse contexto. No terceiro capítulo desenvolve-se a análise das propostas conceptuais e metodológicas dos designers Victor Papanek, Luigi Colani e Paulo Parra, por recurso específico, respectivamente, aos pressupostos inscritos em Design Biónico, Design Natural, Biodesign e Design Simbiótico, perseguindo-se como objectivo a sua sistematização em conteúdos passíveis de contribuírem para novas investigações/aplicações, nomeadamente no âmbito daquilo que a autora designa como Inovação Tecnológica na Concepção e EcoBio-Inovação.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Embarcações tradicionais da Ria de Aveiro: uma análise pelo design

Perante o estado de perda de grande parte do património móvel, material e imaterial, lagunar, e da consequente desvalorização identitária da região, nomeadamente, das embarcações tradicionais da Ria de Aveiro, surgiu a necessidade de efectuar um levantamento desse património e de o caracterizar. Para tal, delimitamos o estudo no espaço e no tempo. O território abrange a grande área lagunar do Distrito de Aveiro, denominada de Ria de Aveiro, com uma extensão de cerca de 47km, de norte a sul - de Ovar a Mira - incluindo as lagoas adjacentes: Barrinha de Mira, Lagoa e a Pateira de Fermentelos. No tempo, marcamos como referência, o início do século XIX até à actualidade. A partir do ano de 1808, a laguna adquire uma configuração morfológica, perto da actual e condições de navegabilidade estáveis para as embarcações tradicionais, devido à fixação da Barra do Porto de Aveiro. Após realizar as primeiras pesquisas, apoiados em fontes bibliográficas, iconográficas e videográficas apercebemo-nos da dispersão da informação existente e das poucas obras que abordam o tema. Desta forma, sentiu-se a necessidade de realizar uma pesquisa de campo, que contextualizasse e aportasse informação pertinente ao tema em estudo. Iniciamos a pesquisa de campo, utilizando as técnicas da observação passiva e activa, e do registo de imagem, vídeo, áudio e gráfico. Realizamos entrevistas, assistimos a processos de construção, efectuamos levantamentos e anotações de medidas, elaboramos esquissos de pormenores, apoiados nas ferramentas da Etnografia e do Design e participamos em eventos ligados à temática. Realizamos um levantamento das embarcações existentes, localizando-as e contextualizando-as no território regional. Descrevemo-las, analisamos a sua forma, função, estética, e o processo construtivo, e com base na análise de outros trabalhos, apresentamos uma proposta classificativa, por tipologias, para as embarcações tradicionais da Ria de Aveiro. Com base na comparação dos desenhos das embarcações procuramos alguns marcadores genéticos comuns, caracterizadores e transmissores da identidade do nosso património lagunar. Recolhemos, observámos e procuramos entender a problemática subjacente a este tema. Por fim, elaboramos um ensaio conclusivo sobre essa problemática da perda do património lagunar móvel, na contemporaneidade, classificando-o, e obtendo resultados que nos elucidam sobre a actual situação, e anunciam uma previsão futura de perda total, caso não se registem urgentes intervenções estratégicas para minimizar e travar esta realidade.

Design de unidades funcionais: plataforma para o desenvolvimento novos produtos universidade-indústria

Este trabalho de investigação teve como principais objetivos, por um lado, procurar as relações existentes entre a Instituição Ensino Superior de Design (IES-D) e as empresas, por outro, configurar um modelo que permitisse criar uma plataforma de inovação para o desenvolvimento de novos produtos na IES-D num contexto globalizado. Nos últimos anos, o setor “ensino superior” na Europa e em várias partes do mundo passou por grandes mudanças, o que acentuou o ambiente competitivo entre as IES, incluindo as de Design. Neste âmbito, procurou-se demonstrar o novo posicionamento estratégico da IES-D perante o mercado, e quais as ações a desenvolver que possibilitam alcançar uma vantagem competitiva sustentável. Primeiro, considerou-se fundamental identificar a importância do design perante o ensino, a situação mundial e a mudança da cultura económica. Depois, assinalaram-se as iniciativas de promoção do design e as políticas de inovação europeias. E por fim, reuniram-se os aspetos que obrigam as IES-D a assumir novos papéis de interação com o mercado. Por análise comparativa internacional procedeu-se à seleção de uma amostra de dezoito (18) IES-D – dez europeias, quatro norte americanas e quatro asiáticas. Instituições de ensino com tipologias diversas e pertencentes a distintos contextos socioeconómicos. A caracterização da amostra através de análise estrutural permitiu identificar aspetos comuns às IES-D – ações estratégicas que servem para promover a inovação. Para explicitar a interação do sistema formado por esses elementos comuns, configurou-se um modelo concetual – Hexágono da Inovação (HI). O modelo, enquanto instrumento de análise, permite criar um padrão da inovação da IES-D e posicioná-la perante o setor - ensino superior de design. Foi também realizado um ensaio da aplicabilidade do modelo concetual HI na ESAD.cr/IPL. Através da implementação da plataforma de inovação - ESAD Design Studio - Centro de Estudos e Investigação em Design (EDS/CEID), foram ensaiadas as ações necessárias para promover o design estratégico e o design de inovação.

Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.