Advanced Beamforming for Distributed and Multi-Beam Networks

Beamforming entails joint processing of multiple signals received or transmitted by an array of antennas. This thesis addresses the implementation of beamforming in two distinct systems, namely a distributed network of independent sensors, and a broad-band multi-beam satellite network. With the rising popularity of wireless sensors, scientists are taking advantage of the flexibility of these devices, which come with very low implementation costs. Simplicity, however, is intertwined with scarce power resources, which must be carefully rationed to ensure successful measurement campaigns throughout the whole duration of the application. In this scenario, distributed beamforming is a cooperative communication technique, which allows nodes in the network to emulate a virtual antenna array seeking power gains in the order of the size of the network itself, when required to deliver a common message signal to the receiver. To achieve a desired beamforming configuration, however, all nodes in the network must agree upon the same phase reference, which is challenging in a distributed set-up where all devices are independent. The first part of this thesis presents new algorithms for phase alignment, which prove to be more energy efficient than existing solutions. With the ever-growing demand for broad-band connectivity, satellite systems have the great potential to guarantee service where terrestrial systems can not penetrate. In order to satisfy the constantly increasing demand for throughput, satellites are equipped with multi-fed reflector antennas to resolve spatially separated signals. However, incrementing the number of feeds on the payload corresponds to burdening the link between the satellite and the gateway with an extensive amount of signaling, and to possibly calling for much more expensive multiple-gateway infrastructures. This thesis focuses on an on-board non-adaptive signal processing scheme denoted as Coarse Beamforming, whose objective is to reduce the communication load on the link between the ground station and space segment.

Fine tuning of on-growing diets for farmed marine fish species as a key tool to sustain the aquaculture development

The aim of this thesis was to investigate some important key factors able to promote the prospected growth of the aquaculture sector. The limited availability of fishmeal and fish oil led the attention of the aquafeed industry to reduce the dependency on marine raw materials in favor of vegetable ingredients. In Chapter 2, we reported the effects of fishmeal replacement by a mixture of plant proteins in turbot (Psetta maxima L.) juveniles. At the end of the trial, it was found that over the 15% plant protein inclusion can cause stress and exert negative effects on growth performance and welfare. Climate change aroused the attention of the aquafeed industry toward the production of specific diets capable to counteract high temperatures. In Chapter 3, we investigated the most suitable dietary lipid level for gilthead seabream (Sparus aurata L.) reared at Mediterranean summer temperature. In this trial, it was highlighted that 18% dietary lipid allows a protein sparing effect, thus making the farming of this species economically and environmentally more sustainable. The introduction of new farmed fish species makes necessary the development of new species-specific diets. In Chapter 4, we assessed growth response and feed utilization of common sole (Solea solea L.) juveniles fed graded dietary lipid levels. At the end of the trial, it was found that increasing dietary lipids over 8% led to a substantial decline in growth performance and feed utilization indices. In Chapter 5, we investigated the suitability of mussel meal as alternative ingredient in diets for common sole juveniles. Mussel meal proved to be a very effective alternative ingredient for enhancing growth performance, feed palatability and feed utilization in sole irrespectively to the tested inclusion levels. This thesis highlighted the importance of formulating more specific diets in order to support the aquaculture growth in a sustainable way.

L’allevamento della sogliola comune (Solea solea L.): riproduzione controllata e nuovi sviluppi di nutrizione e alimentazione in fase larvale e giovanile

In questa tesi sono illustrate alcune sperimentazioni finalizzate alla standardizzazione del ciclo produttivo della sogliola comune (Solea solea) in cattività. E’ stato creato un parco di riproduttori selvatici ed è stata standardizzata la riproduzione ad un livello compatibile con la realtà produttiva del settore. Indagini genetiche di assegnazione parentale hanno evidenziato come alcuni esemplari siano stati predominanti negli accoppiamenti e nel conseguente contributo alla generazione della prole. Ciò ha determinato una diminuzione della variabilità genetica dei discendenti. La composizione quali-quantitativa degli acidi grassi delle uova è stata correlata con la sopravvivenza larvale nel corso di un’intera stagione riproduttiva. Tale composizione non ha subito importanti variazioni su scala temporale e sembra essere stata influenzata dall’alimentazione somministrata ai riproduttori nel periodo precedente alla riproduzione. Le analisi di interazione tra momento riproduttivo e qualità delle uova hanno confermato che è stato possibile ottenere uova di buona qualità in termini di sopravvivenza larvale nel corso di tutta la stagione riproduttiva. Larve di sogliola sono state svezzate precocemente 13 giorni dopo la schiusa riducendo l’impiego di cibo vivo a favore di micro diete commerciali. Tale svezzamento ha ridotto le performance di accrescimento, ma non la sopravvivenza e lo sviluppo della metamorfosi quando comparati ad un trattamento standard. La riduzione del cibo vivo ha ottimizzato i costi di produzione e migliorato l’igiene in vasca. L’ontogenesi di precursori di enzimi digestivi è stata determinata tramite PCR quantitativa. I risultati di espressione di tripsinogeno, chimotripsinogeno e amilasi hanno mostrato come tali enzimi rivestano un ruolo chiave nei processi digestivi delle prime fasi larvali. Esemplari giovanili hanno ottenuto un significativo maggiore indice di accrescimento e migliore indice di conversione quando alimentati con diete sperimentali contenenti un elevato tenore proteico. Un aumento dell’incidenza di vacuoli lipidici a livello epatico è stato osservato all’aumentare del tenore proteico della dieta.