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.

Novos saberes básicos dos alunos, novas competências dos professores : um estudo no âmbito da supervisão da formação de professores do 1º ciclo do ensino básico na Universidade de Aveiro

As mudanças sociais que, na actualidade, pressionam e desafiam a Escola, nomeadamente quanto aos papéis, funções e desempenho dos professores, implicam a necessidade de repensar a sua formação para que possam responder mais adequadamente aos desafios emergentes. Estes têm particularmente a ver com os novos saberes que essas condições exigem a todos os cidadãos e que são entendidos, do ponto de vista epistemológico, como saberes para agir responsavelmente. Assim, o principal objectivo deste estudo consiste em aprofundar o conhecimento acerca das ambiências e culturas de formação inicial de professores do 1. º Ciclo do Ensino Básico na Universidade de Aveiro, nomeadamente dos processos de supervisão ao nível da disciplina de Prática Pedagógica, tendo em consideração que as características de monodocência dos profissionais deste ciclo de ensino pressupõem um perfil de competência específico. A investigação, de natureza qualitativa, desenvolveu-se de acordo com as abordagens próprias da complexidade e da sistémica, das quais relevamos os princípios da totalidade em que os fenómenos são percebidos como sistemas globais e dinâmicos e da recursividade ao admitirmos a possibilidade de uma relação dialéctica entre os diversos subsistemas considerados. Do ponto de vista metodológico, no sentido de construir uma visão integrada do objecto em estudo, foi utilizado um conjunto de procedimentos específicos (mixed-methods), nomeadamente análise documental, inquirição por questionário e por entrevista semi-estruturada. O questionário foi aplicado à totalidade de licenciados em Ensino do 1.º Ciclo do Ensino Básico pela Universidade de Aveiro, compreendendo o período de 1998 até 2005. A entrevista foi realizada junto de supervisores (cooperantes e institucionais) que vêm acompanhando os núcleos de Prática Pedagógica, no decurso e ao longo do 4.º ano da referida Licenciatura. Quanto aos resultados do estudo, estes podem ser lidos em função de três eixos. Relativamente ao primeiro, que genericamente se refere à evolução dos saberes básicos dos alunos, os contributos parecem sugerir a necessidade de alicerçar os processos de ensino/aprendizagem não apenas nas literacias ler, escrever e contar, como também no desenvolvimento de saberes básicos de natureza geral e transversal, percebidos como competências, tais como aprender a pensar, aprender a aprender, aprender a comunicar e a resolver problemas, numa perspectiva de aprender a ser. O segundo eixo de leitura tem a ver com as competências requeridas aos professores para o desenvolvimento desses saberes estruturantes. De acordo com os dados recolhidos na fase extensiva do estudo, estes parecem coerentes com a revisão de literatura realizada, bem como com os normativos legais que, em Portugal, enquadram o perfil de desempenho dos professores do 1.º Ciclo. Porém, sugerem a necessidade de interligar as dimensões saber, saber-fazer e saber ser, com ênfase nesta última. À semelhança dos resultados referidos no ponto anterior, também o referencial de competências proposto para os professores integra as dimensões saber, saber fazer e saber ser, no qual são valorizadas as competências de reflexão crítica, de aprender a aprender e, de igual forma, o conhecimento profissional nas suas múltiplas dimensões. O terceiro eixo relaciona-se com a qualidade das ambiências e culturas de formação e supervisão. De forma geral, os dados apontam que ambientes que possibilitem uma dimensão de prática curricular alargada em contextos diversificados, que valorizem os princípios da pessoalidade e respeito pelo Outro e que estimulem a reflexão crítica, a auto-implicação dos formandos, o desenvolvimento de competências pessoais e de desenvolvimento profissional (destacando-se as competências para aprender a aprender, a comunicar, a investigar e reflectir), parecem adequar se melhor ao desenvolvimento pessoal e profissional destes professores, no contexto das sociedades contemporâneas. Assim, é possível verificar que os eixos considerados remetem para um conjunto recursivo de saberes e competências que, em diferentes níveis, implicam um compromisso com a acção, numa visão de mundo comprometida com as ideias de bem comum, ou seja, de cidadania universal.

High-resolution seismic reflection investigation of gas accumulation and seepage in the tidal channels of the Ria of Aveiro barrier lagoon (Portugal)

O metano é um gás de estufa potente e uma importante fonte de energia. A importância global e impacto em zonas costeiras de acumulações e escape de gás metano são ainda pouco conhecidas. Esta tese investiga acumulações e escape de gás em canais de maré da Ria de Aveiro com dados de cinco campanhas de reflexão sísmica de alta resolução realizadas em 1986, 1999, 2002 e 2003. Estas incluem três campanhas de Chirp (RIAV99, RIAV02 e RIAV02A) e duas campanhas de Boomer (VOUGA86 e RIAV03). O processamento dos dados de navegação incluíram filtros de erros, correcções de sincronização de relógios de sistemas de aquisição de dados, ajuste de “layback” e estimativa da posição de “midpoint”. O processamento do sinal sísmico consistiu na correcção das amplitudes, remoção de ruído do tipo “burst”, correcções estáticas, correcção do “normal move-out”, filtragem passabanda, desconvolução da assinatura e migração Stolt F-K. A análise da regularidade do trajecto de navegação, dos desfasamentos entre horizontes e dos modelos de superfícies foi utilizada para controlo de qualidade, e permitiu a revisão e melhoria dos parâmetros de processamento. A heterogeneidade da cobertura sísmica, da qualidade do sinal, da penetração e da resolução, no seu conjunto constrangeram o uso dos dados a interpretações detalhadas, mas locais, de objectos geológicos da Ria. É apresentado um procedimento para determinar a escolha de escalas adequadas para modelar os objectos geológicos, baseado na resolução sísmica, erros de posicionamento conhecidos e desfasamentos médios entre horizontes. As evidências de acumulação e escape de gás na Ria de Aveiro incluem turbidez acústica, reflexões reforçadas, cortinas acústicas, domas, “pockmarks” e alinhamentos de “pockmarks” enterradas, horizontes perturbados e plumas acústicas na coluna de água (flares). A estratigrafia e a estrutura geológica controlam a distribuição e extensão das acumulações e escape de gás. Ainda assim, nestes sistemas de baixa profundidade de água, as variações da altura de maré têm um impacto significativo na detecção de gás com métodos acústicos, através de alterações nas amplitudes originais de reflexões reforçadas, turbidez acústica e branqueamento acústico em zonas com gás. Os padrões encontrados confirmam que o escape de bolhas de gás é desencadeado pela descida da maré. Há acumulações de gás em sedimentos Holocénicos e no substrato de argilas e calcários do Mesozóico. Evidências directas de escape de gás em sondagens em zonas vizinhas, mostraram gás essencialmente biogénico. A maioria do gás na área deve ter sido gerado em sedimentos lagunares Holocénicos. No entanto, a localização e geometria de estruturas de escape de fluidos em alguns canais de maré, seguem o padrão de fracturas do substrato Mesozóico, indicando uma possível fonte mais profunda de gás e que estas fracturas funcionam como condutas preferenciais de migração dos fluidos e exercem um controlo estrutural na ocorrência de gás na Ria.

Automatic information and safety systems for driving assistance

O objeto principal desta tese é o estudo de algoritmos de processamento e representação automáticos de dados, em particular de informação obtida por sensores montados a bordo de veículos (2D e 3D), com aplicação em contexto de sistemas de apoio à condução. O trabalho foca alguns dos problemas que, quer os sistemas de condução automática (AD), quer os sistemas avançados de apoio à condução (ADAS), enfrentam hoje em dia. O documento é composto por duas partes. A primeira descreve o projeto, construção e desenvolvimento de três protótipos robóticos, incluindo pormenores associados aos sensores montados a bordo dos robôs, algoritmos e arquitecturas de software. Estes robôs foram utilizados como plataformas de ensaios para testar e validar as técnicas propostas. Para além disso, participaram em várias competições de condução autónoma tendo obtido muito bons resultados. A segunda parte deste documento apresenta vários algoritmos empregues na geração de representações intermédias de dados sensoriais. Estes podem ser utilizados para melhorar técnicas já existentes de reconhecimento de padrões, deteção ou navegação, e por este meio contribuir para futuras aplicações no âmbito dos AD ou ADAS. Dado que os veículos autónomos contêm uma grande quantidade de sensores de diferentes naturezas, representações intermédias são particularmente adequadas, pois podem lidar com problemas relacionados com as diversas naturezas dos dados (2D, 3D, fotométrica, etc.), com o carácter assíncrono dos dados (multiplos sensores a enviar dados a diferentes frequências), ou com o alinhamento dos dados (problemas de calibração, diferentes sensores a disponibilizar diferentes medições para um mesmo objeto). Neste âmbito, são propostas novas técnicas para a computação de uma representação multi-câmara multi-modal de transformação de perspectiva inversa, para a execução de correcção de côr entre imagens de forma a obter mosaicos de qualidade, ou para a geração de uma representação de cena baseada em primitivas poligonais, capaz de lidar com grandes quantidades de dados 3D e 2D, tendo inclusivamente a capacidade de refinar a representação à medida que novos dados sensoriais são recebidos.

Innovation in tourism: the role of regional innovation systems

Esta tese tem como principal objetivo analisar as características, a importância e o papel da inovação territorial em turismo e o seu impacto no desenvolvimento dos destinos. Consiste num estudo multidisciplinar suportado numa exaustiva revisão da literatura sobre temas como desenvolvimento, inovação e modelos de inovação territorial. Com base nas principais conclusões de natureza conceptual, considerou-se o modelo dos sistemas regionais de inovação como o mais adequado para aplicação ao sistema turístico, e a constituição de redes como estruturas fundamentais para a sua operacionalização. A partir desta abordagem teórica, foi desenvolvido um quadro conceptual para a análise da inovação sistémica no sector do turismo. Esta abordagem permitiu a definição de um conjunto de hipóteses, as quais foram testadas através dos resultados da parte empírica da tese. Foram desenvolvidos dois estudos empíricos distintos, mas complementares nas regiões do Douro e de Aveiro. O primeiro teve como objetivo inquirir empresas turísticas, enquanto o segundo foi dirigido a instituições regionais com intervenção no sector do turismo ou na inovação. Os resultados obtidos conduziram a importantes conclusões sobre o desempenho das empresas e regiões em termos de inovação, os padrões de networking desenvolvidos no âmbito de processos de inovação, a importância do conhecimento existente nas regiões e os fatores específicos das mesmas para a inovação em turismo, a perceção das empresas turísticas sobre o ambiente de inovação e o seu contributo para a evolução e para o sucesso dos destinos turísticos. A tese recorre a uma abordagem quantitativa que inclui estatística descritiva e indutiva e ao método da análise de redes (sociometria). A combinação de métodos levou a importantes conclusões sobre a inovação em turismo, com uma focalização especial no que a relaciona com os sistemas regionais de inovação. As conclusões permitem avançar com um conjunto de implicações e sugestões para futuros projetos de investigação sobre o tema, bem como para a gestão dos destinos turísticos, uma vez que contribui para um maior e mais aprofundado conhecimento do fenómeno da inovação em turismo desenvolvida a nível regional. Os resultados demonstram que diferentes regiões apresentam sistemas regionais de inovação distintos. Assim, não existe um modelo único que possa ser aplicado indistintamente em todas as regiões. Contudo, as conclusões apontam para a existência de padrões e práticas que aperfeiçoam o seu funcionamento, aumentando o desempenho ao nível da inovação, bem como a competitividade global do destino.

Cooperative positioning for heterogeneous wireless systems

Future emerging market trends head towards positioning based services placing a new perspective on the way we obtain and exploit positioning information. On one hand, innovations in information technology and wireless communication systems enabled the development of numerous location based applications such as vehicle navigation and tracking, sensor networks applications, home automation, asset management, security and context aware location services. On the other hand, wireless networks themselves may bene t from localization information to improve the performances of di erent network layers. Location based routing, synchronization, interference cancellation are prime examples of applications where location information can be useful. Typical positioning solutions rely on measurements and exploitation of distance dependent signal metrics, such as the received signal strength, time of arrival or angle of arrival. They are cheaper and easier to implement than the dedicated positioning systems based on ngerprinting, but at the cost of accuracy. Therefore intelligent localization algorithms and signal processing techniques have to be applied to mitigate the lack of accuracy in distance estimates. Cooperation between nodes is used in cases where conventional positioning techniques do not perform well due to lack of existing infrastructure, or obstructed indoor environment. The objective is to concentrate on hybrid architecture where some nodes have points of attachment to an infrastructure, and simultaneously are interconnected via short-range ad hoc links. The availability of more capable handsets enables more innovative scenarios that take advantage of multiple radio access networks as well as peer-to-peer links for positioning. Link selection is used to optimize the tradeo between the power consumption of participating nodes and the quality of target localization. The Geometric Dilution of Precision and the Cramer-Rao Lower Bound can be used as criteria for choosing the appropriate set of anchor nodes and corresponding measurements before attempting location estimation itself. This work analyzes the existing solutions for node selection in order to improve localization performance, and proposes a novel method based on utility functions. The proposed method is then extended to mobile and heterogeneous environments. Simulations have been carried out, as well as evaluation with real measurement data. In addition, some speci c cases have been considered, such as localization in ill-conditioned scenarios and the use of negative information. The proposed approaches have shown to enhance estimation accuracy, whilst signi cantly reducing complexity, power consumption and signalling overhead.