Distributed coding for systems with cooperative diversity

O presente trabalho propõe-se a divulgar as mais significativas técnicas de esquemas cooperativos, de forma a ultrapassar alguns dos problemas dos sistemas móveis sem fios da próxima geração, estendendo a área de cobertura destes sistemas, assim como a sua capacidade e fiabilidade. O estudo de diversos esquemas cooperativos é efetuado em termos de capacidade e de taxa de erros, fazendo variar o número de relays e de antenas em cada elemento do sistema. Diversos algoritmos com aplicação em sistemas cooperativos são desenvolvidos e propostos ao longo desta tese, como códigos espaço-frequência aplicados de forma distribuída nos relays, para sistemas baseados na tecnologia OFDM e sob diversos cenários próximos da realidade. Os sistemas cooperativos são particularmente úteis em situações em que o caminho direto entre dois terminais não está acessível ou tem uma fraca qualidade de transmissão. Tendo este aspeto em consideração, e pretendendo ter a máxima eficiência espetral e máxima diversidade, um algoritmo com precodificação é também proposto para múltiplos relays, cada um equipado com uma ou duas antenas. A formulação matemática associada aos algoritmos propostos é apresentada, assim como a derivação da probabilidade de erro teórica. O desempenho dos sistemas assistidos por relays usando os algoritmos propostos é comparado em relação a outros esquemas cooperativos equivalentes e a esquemas não-cooperativos, considerando cenários com diferentes qualidades de canal, daí advindo importantes conclusões em relação a estes sistemas.

The notion of space in urban housing markets

O mercado imobiliário tem um papel importante nas economias modernas, tanto a nível macro como a nível micro. Ao nível macro, a construção de habitação representa um sector importante e influente na economia, com efeitos multiplicadores significativos sobre a produção e o emprego. Ao nível micro, uma residência representa o activo mais valioso da maioria dos indivíduos e uma parcela muito relevante da riqueza das famílias. Para estas, o custo e a qualidade das suas habitações influencia directa e indirectamente a sua qualidade de vida. A habitação é por isso mesmo um tema, que avaliado nas suas múltiplas dimensões, se caracteriza por ser bastante complexo, mas também ao mesmo tempo desafiante. De modo a delimitar o objecto de análise do trabalho de investigação, esta tese realça os aspectos de localização e distribuição espacial das habitações urbanas. Será desenvolvido um quadro conceptual e respectiva metodologia para a compreender a estrutura espacial da habitação urbana realçando os três aspectos fundamentais da análise espacial: heterogenidade espacial, dependência espacial e escala espacial. A metodologia, aplicada à área urbana de Aveiro e Ílhavo é baseada numa análise hedónica factorial de preços e na noção não geométrica do espaço. Primeiro, é fixada uma escala territorial e são definidos submercados habitacional. Posteriormente, quer a heterogeneidade quer a dependência espaciais são estudados utilizando métodos econométricos, sem considerar qualquer padrão fixo e conhecido de interações espaciais. Em vez disso, são desenvolvidos novos métodos,tendo como base o modelo hedónico factorial, para inferir sobre os potenciais drivers de difusão espacial no valor de uma habitação. Este modelo, foi aplicado a duas diferentes escalas espaciais, para compreender as preferências dos indivíduos em Aveiro ao escolher os seus locais de residencia, e como estas afectam os preços da habitação. O trabalho empírico, utilizando duas bases de dados de habitação distintas, aplicadas ao mercado de habitação de Aveiro mostram: i) em linha com a literatura, a dificuldade de definir submercados e compreender as inter-relações entre esses mercados; ii) a utilidade de uma abordagem híbrida, combinando análise factorial com regressão; iii) a importância fundamental que o efeito escala espacial desempenha no estudo da heterogeneidade e dos spillovers e, finalmente, iv) uma metodologia inovadora para analisar spillovers sem assumir aprioristicamente uma estrutura espacial específica de difusão espacial. Esta metodologia considera a matriz de pesos espaciais (W) desconhecida e estimatima as interações espaciais dentro e entre submercados habitação.

Educação de infância como tempo fundador: repensar a formação de educadores para uma acção educativa integrada

O estudo Educação de Infância como tempo fundador: Repensar a Formação de Educadores para uma acção educativa integrada inscreve-se no processo de reflexão acerca das finalidades da educação básica e da qualidade da formação e da intervenção dos profissionais de educação de infância. Considerando as condições de instabilidade, crescente insegurança e grande imprevisibilidade que caracterizam as sociedades contemporâneas e, considerando também, os avanços científicos que vêm ocorrendo nas últimas décadas, fundamentando e alertando para a importância decisiva das aprendizagens realizadas na Infância nos processos de desenvolvimento subsequentes, releva-se neste estudo a necessidade de dar continuidade e aprofundar essa reflexão procurando responder, também pela investigação, aos desafios que as mudanças sociais suscitam. Nesta linha e tendo como referente o significado que, em termos de estruturação identitária pessoal e colectiva, é reconhecido à educação de infância, enquanto contexto primeiro de educação básica e complementar da acção educativa da família, o principal objectivo do estudo consiste em aprofundar o conhecimento acerca da natureza e qualidade dos saberes básicos a promover na educação pré-escolar e das competências reconfiguradoras do perfil de desempenho profissional dos educadores de infância para que, em articulação com as famílias das crianças, se tornem facilitadores do seu desenvolvimento, no quadro de uma ampla perspectiva de cidadania e de sucesso para todos. Os eixos investigativos que se cruzam no estudo pressupõem uma dimensão de pesquisa (teórica, documental e empírica) de natureza complexa, na qual, se procura tornar compreensíveis as interacções entre os participantes anteriormente referidos, no sentido de uma possível coerência conceptual e funcional, que regule e sustente a qualidade dos processos de desenvolvimento. Do ponto de vista metodológico, a investigação inscreve-se numa abordagem de natureza qualitativa, de matriz complexa e com características de estudo de caso, centrado nos processos de formação e de intervenção dos educadores de infância em exercício de funções, no distrito de Bragança. No sentido de construir uma visão integrada do objecto de estudo foi desenvolvida uma revisão temática de literatura e de análise documental e, na dimensão empírica do estudo, foram promovidos processos mistos de recolha de dados, com recurso à inquirição por questionário e por entrevista (semi-estruturada). A inquirição por questionário foi feita a 229 educadores de infância e a 1340 pais (ou seus representantes), das crianças que frequentavam a educação pré-escolar e a entrevista a 6 educadoras, que integravam os conselhos executivos dos Agrupamentos de Escolas e, cujas funções de gestão e administração, lhes permitiam ter uma perspectiva mais global das problemáticas em estudo. Os instrumentos de recolha e de análise da informação foram validados de modo a garantir-lhes fiabilidade e credibilidade. Os resultados do estudo podem ser lidos em dois níveis, considerando a sua abrangência e especificidade. Num primeiro plano, numa leitura mais global e transversal às questões em estudo e, num segundo plano, como enfoque mais específico em função de quatro dimensões temáticas decorrentes do quadro de fundamentação teórica e organizadoras do processo de reflexão e de pesquisa. Assim, globalmente, os resultados confirmam a importância que todos os inquiridos reconhecem, quer às aprendizagens ocorridas na Infância, como factor importante no desenvolvimento pessoal e social das crianças ao longo da vida, quer ao papel que, nele, os educadores e respectiva formação (inicial e contínua) devem desempenhar. Com algumas variações, as representações dos educadores de infância e dos pais inquiridos neste estudo, embora diferentes em algumas das questões específicas, apresentam-se maioritariamente coerentes e próximas das perspectivas teóricas mais actuais, que consideram a natureza processual das aprendizagens e a importância que a qualidade dos contextos e das transições, que neles ocorrem, assumem nos processos de desenvolvimento. Ou seja, inscrevem-se na linha das teorias socioconstrutivista e ecológica também subjacentes às orientações curriculares, ao nível nacional e aos quadros teóricos de referência, ao nível internacional. Identificam a aprendizagem da cidadania (ou do aprender a ser em sociedade) como o saber mais estruturante a ser desenvolvido no conjunto da acção educativa e perspectivam-na como processo de responsabilidade partilhada e cooperado. Tratando-se de uma amostra extensa e de um distrito geograficamente marcado pela interioridade, e sem esquecer que os dados se referem a representações expressas ao nível dos discursos, é importante reconhecer os sinais de actualidade das perspectivas e das sugestões apontadas para dar continuidade aos processos de desenvolvimento integrado de todos os participantes no processo educativo. Ainda numa leitura global, as principais diferenças, genericamente observadas entre educadores e pais, evidenciam, da parte destes, uma perspectiva de cidadania mais restrita e, da parte dos educadores, uma visão mais alargada do conceito. Com efeito, são os pais com mais elevada qualificação académica que partilham com os educadores esta perspectiva ampliada e transformadora de cidadania. Numa leitura mais enfocada e mais detalhada, e tal como referido anteriormente, os resultados podem ser lidos no cruzamento de quatro dimensões que interligam as questões de pesquisa: os saberes básicos, as estratégias de intervenção para o seu desenvolvimento; a formação e intervenção dos educadores de infância e a identificação de competências que possam vir a aprofundarem a sua formação. No que se refere aos saberes básicos, e não obstante a ocorrência de variações, quer quanto aos próprios saberes, quer quanto à terminologia usada, são considerados como fundamentais: 1. O aprender a ser na perspectiva do desenvolvimento da identidade; 2. O aprender a exercer a cidadania na linha da aprendizagem e da vivência democrática na relação com o mundo e com o outro; 3. O aprender a aprender como ferramenta indispensável à aprendizagem ao longo da vida; 4. O aprender a desenvolver o pensamento crítico, enquanto possibilidade de criteriosa escolha pessoal entre alternativas possíveis e 5. O aprender a comunicar como condição relacional inalienável nos processos de interacção com os contextos e com as pessoas. A segunda dimensão tem a ver com as estratégias consideradas facilitadoras do desenvolvimento destes saberes e são considerados três níveis da intervenção educativa: a acção dos educadores propriamente dita, a cooperação dos pais no processo de aprendizagem das crianças e a interacção da instituição pré-escolar com os pais/família. A acção dos educadores surge, tendencialmente perspectivada como facilitadora do desenvolvimento dos saberes básicos, embora em relação a algumas práticas essa perspectiva surgisse pouco evidente e distingue-se quanto ao desenvolvimento da acção e relação educativa, manifestando os educadores mais experientes uma opinião mais favorável. No que se refere à cooperação dos pais no processo de aprendizagem das crianças, os resultados indicam que a maioria dos pais manifesta uma opinião favorável a práticas configuradoras de um clima facilitador do desenvolvimento dos saberes básicos enunciados, mas variando os seus pontos de vista. São os pais de habilitações académicas mais elevadas, de idade intermédia e situados em contexto urbano os que apresentam opiniões mais favoráveis. Por fim, e no que diz respeito à interacção com as famílias, os resultados evidenciam uma opinião positiva com os meios de interacção utilizados, mas deixando perceber a necessidade de melhorar o processo de cooperação, manifestando os pais uma opinião menos positiva do que os educadores sobre esse processo. A terceira dimensão diz respeito às representações sobre a formação e intervenção profissional dos educadores, evidenciando os resultados que a maioria dos educadores atribuiu muita relevância aos contributos do curso de formação inicial para o desenvolvimento da maioria das competências necessárias para o seu desempenho profissional. Permitem ainda verificar que os educadores de formação mais recente manifestaram uma opinião mais favorável desses contributos, quanto ao desenvolvimento de conhecimentos em áreas, tais como a matemática, conhecimento do mundo e expressão musical, o que significa um avanço relativamente ao reconhecimento da necessidade de fazer investimento nessas áreas sugeridas em alguns estudos e projectos. Quanto ao desenvolvimento da actividade profissional, os resultados relevam que a maior preocupação dos educadores se centra em torno do seu desempenho profissional e das condições de exercício da actividade profissional. No que se refere ao início de carreira, esta última dimensão assume maior evidência, sendo ainda possível perceber que a entrada na vida profissional tem vindo a ocorrer, nos últimos anos, através da rede privada. A quarta dimensão tem a ver com as competências profissionais a desenvolver pelos futuros educadores, e não obstante algumas diferenças nas opiniões manifestadas pelos três grupos de participantes, surgem relevadas competências que a literatura e os perfis de desempenho profissional docente apontam como devendo ser promovidas e incluídas nos programas de formação de educadores de infância/professores. Estas podem ser vistas, quer numa dimensão geral relativa ao grupo docente, quer numa dimensão mais específica da intervenção em educação de infância, tal como é especificado ao longo do trabalho.

Cooperative communications in multi-rate IEEE 802.11 networks

Esta tese apresenta um estudo sobre alguns dos protocolos de cooperação MAC para redes sem fios utilizando o sistema IEEE 802.11 multi-débito. É proposto um novo modelo de arquitetura para a categorização e análise da cooperação em redes sem fios, tendo este modelo sido aplicado a protocolos cooperativos existentes para camada MAC. É investigado como as características do meio físico, assim como os requisitos de níveis superiores podem ser aplicados ao processo de cooperação, com vista a melhorar as características de funcionamento da rede de comunicações. Para este propósito são exploradas as métricas mais relevantes para o processo de cooperação. São igualmente estudados os limites impostos pelos protocolos da camada MAC e as limitações práticas impostas por protocolos da família de normas que compõem o IEEE 802.11. Neste trabalho foi criada uma métrica multicamada, que permite considerar os requisitos aplicacionais de performance e o tipo de tráfego, assim como a mobilidade dos dispositivos, no funcionamento dos mecanismos de cooperação. Como forma de validação, e para corretamente avaliar o impacto da métrica, um novo protocolo de cooperação foi desenvolvido e implementado. O seu funcionamento é descrito de forma analítica assim como validado através de a um ambiente de simulação. Os resultados obtidos mostram que a utilização de uma métrica multicamada é uma técnica robusta, fornecendo melhorias consistentes no contexto de redes IEEE 802.11. São igualmente demonstradas várias outras características de funcionamento com impacto para as comunicações. Estes dados fornecem uma visão real e encorajadora para a realização de mais pesquisas para a melhoria da performance dos protocolos cooperativos, assim como a sua utilização num variado número de aplicações futuras. No final do documento são apresentados alguns desafios para a continuação da investigação deste tópico.

Design and performance of wireless cooperative relaying

In recent years, a new paradigm for communication called cooperative communications has been proposed for which initial information theoretic studies have shown the potential for improvements in capacity over traditional multi-hop wireless networks. Extensive research has been done to mitigate the impact of fading in wireless networks, being mostly focused on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems. Recently, cooperative relaying techniques have been investigated to increase the performance of wireless systems by using diversity created by different single antenna devices, aiming to reach the same level of performance of MIMO systems with low cost devices. Cooperative communication is a promising method to achieve high spectrum efficiency and improve transmission capacity for wireless networks. Cooperative communications is the general idea of pooling the resources of distributed nodes to improve the overall performance of a wireless network. In cooperative networks the nodes cooperate to help each other. A cooperative node offering help is acting like a middle man or proxy and can convey messages from source to destination. Cooperative communication involves exploiting the broadcast nature of the wireless medium to form virtual antenna arrays out of independent singleantenna network nodes for transmission. This research aims at contributing to the field of cooperative wireless networks. The focus of this research is on the relay-based Medium Access Control (MAC) protocol. Specifically, I provide a framework for cooperative relaying called RelaySpot which comprises on opportunistic relay selection, cooperative relay scheduling and relay switching. RelaySpot-based solutions are expected to minimize signaling exchange, remove estimation of channel conditions, and improve the utilization of spatial diversity, minimizing outage and increasing reliability.

Channel estimation and parameters acquisition systems employing cooperative diversity

This work investigates new channel estimation schemes for the forthcoming and future generation of cellular systems for which cooperative techniques are regarded. The studied cooperative systems are designed to re-transmit the received information to the user terminal via the relay nodes, in order to make use of benefits such as high throughput, fairness in access and extra coverage. The cooperative scenarios rely on OFDM-based systems employing classical and pilot-based channel estimators, which were originally designed to pointto-point links. The analytical studies consider two relaying protocols, namely, the Amplifyand-Forward and the Equalise-and-Forward, both for the downlink case. The relaying channels statistics show that such channels entail specific characteristics that comply to a proper filter and equalisation designs. Therefore, adjustments in the estimation process are needed in order to obtain the relay channel estimates, refine these initial estimates via iterative processing and obtain others system parameters that are required in the equalisation. The system performance is evaluated considering standardised specifications and the International Telecommunication Union multipath channel models.

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.

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.