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.

Rural engineering infrastructures design and public facility locations

O desenvolvimento das redes de estradas rurais, especialmente em áreas montanhosas, é a intervenção chave para melhorar a acessibilidade às localidades e aos serviços públicos, cobrindo o maior número de localidades e de serviços públicos, otimizando os escassos recursos disponíveis em países em desenvolvimento. Este estudo explora diferentes modelos de organização de redes de estradas rurais considerando a construção de novas ligações ou o melhoramento de estradas existentes. Um método, baseado na cobertura da rede de estradas rurais, é utilizado para identificar os pontos nodais que formam a rede rural base numa específica região, a qual cobrirá um conjunto dos serviços públicos e de localidades. O modelo assenta numa rede rural de estradas típica ("backbone" e "branch") das regiões montanhosas do Nepal. Os modelos propostos fornecem um conjunto de possibilidades de ligações a estabelecer ou a melhorar e oferece soluções para diferentes níveis de orçamento, que otimizam os custos de transporte na rede, considerando diferentes tipos de pavimento (em solo, granular ou asfáltico). Foi realizado separadamente um modelo dedicado a análises multi-objetivo para resolver problemas de melhoramento de ligações dentro da rede considerando dois objectivos, minimizar os custos de operação para o utilizador e maximizar a população coberta pela rede de estradas, considerando ligações pavimentadas e não pavimentadas (em solo, granular ou asfáltico) dentro de um determinado limite orçamental. O modelo dá ao decisor (DM) diferentes alternativas eficientes para que este possa tomar uma decisão final. Estes modelos, desenvolvidos para redes de estradas rurais, são também aplicáveis a outras redes de infraestruturas rurais, tais como, de fornecimento de água, de eletricidade e de telecomunicações. A implementação dos modelos nas redes de estradas rurais dos distritos de Gorkha e Lamjung do Nepal permitiu confirmara sua aplicabilidade. Verifica-se que os modelos propostos são mais práticos e realísticos no estudo de soluções de melhoramento e de desenvolvimento de redes de estradas rurais em regiões montanhosas de países em desenvolvimento.

Design and optimization next generation passive all-optical networks

Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.

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.