Performance analysis of 4G wireless networks using system level simulator

In the last decade, mobile wireless communications have witnessed an explosive growth in the user’s penetration rate and their widespread deployment around the globe. In particular, a research topic of particular relevance in telecommunications nowadays is related to the design and implementation of mobile communication systems of 4th generation (4G). 4G networks will be characterized by the support of multiple radio access technologies in a core network fully compliant with the Internet Protocol (all IP paradigms). Such networks will sustain the stringent quality of service (QoS) requirements and the expected high data rates from the type of multimedia applications (i.e. YouTube and Skype) to be available in the near future. Therefore, 4G wireless communications system will be of paramount importance on the development of the information society in the near future. As 4G wireless services will continue to increase, this will put more and more pressure on the spectrum availability. There is a worldwide recognition that methods of spectrum managements have reached their limit and are no longer optimal, therefore new paradigms must be sought. Studies show that most of the assigned spectrum is under-utilized, thus the problem in most cases is inefficient spectrum management rather spectrum shortage. There are currently trends towards a more liberalized approach of spectrum management, which are tightly linked to what is commonly termed as Cognitive Radio (CR). Furthermore, conventional deployment of 4G wireless systems (one BS in cell and mobile deploy around it) are known to have problems in providing fairness (users closer to the BS are more benefited relatively to the cell edge users) and in covering some zones affected by shadowing, therefore the use of relays has been proposed as a solution. To evaluate and analyse the performances of 4G wireless systems software tools are normally used. Software tools have become more and more mature in recent years and their need to provide a high level evaluation of proposed algorithms and protocols is now more important. The system level simulation (SLS) tools provide a fundamental and flexible way to test all the envisioned algorithms and protocols under realistic conditions, without the need to deal with the problems of live networks or reduced scope prototypes. Furthermore, the tools allow network designers a rapid collection of a wide range of performance metrics that are useful for the analysis and optimization of different algorithms. This dissertation proposes the design and implementation of conventional system level simulator (SLS), which afterwards enhances for the 4G wireless technologies namely cognitive Radios (IEEE802.22) and Relays (IEEE802.16j). SLS is then used for the analysis of proposed algorithms and protocols.

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.

Precoding techniques for coordinated multicell systems

Coordenação Multicélula é um tópico de investigação em rápido crescimento e uma solução promissora para controlar a interferência entre células em sistemas celulares, melhorando a equidade do sistema e aumentando a sua capacidade. Esta tecnologia já está em estudo no LTEAdvanced sob o conceito de coordenação multiponto (COMP). Existem várias abordagens sobre coordenação multicélula, dependendo da quantidade e do tipo de informação partilhada pelas estações base, através da rede de suporte (backhaul network), e do local onde essa informação é processada, i.e., numa unidade de processamento central ou de uma forma distribuída em cada estação base. Nesta tese, são propostas técnicas de pré-codificação e alocação de potência considerando várias estratégias: centralizada, todo o processamento é feito na unidade de processamento central; semidistribuída, neste caso apenas parte do processamento é executado na unidade de processamento central, nomeadamente a potência alocada a cada utilizador servido por cada estação base; e distribuída em que o processamento é feito localmente em cada estação base. Os esquemas propostos são projectados em duas fases: primeiro são propostas soluções de pré-codificação para mitigar ou eliminar a interferência entre células, de seguida o sistema é melhorado através do desenvolvimento de vários esquemas de alocação de potência. São propostas três esquemas de alocação de potência centralizada condicionada a cada estação base e com diferentes relações entre desempenho e complexidade. São também derivados esquemas de alocação distribuídos, assumindo que um sistema multicelular pode ser visto como a sobreposição de vários sistemas com uma única célula. Com base neste conceito foi definido uma taxa de erro média virtual para cada um desses sistemas de célula única que compõem o sistema multicelular, permitindo assim projectar esquemas de alocação de potência completamente distribuídos. Todos os esquemas propostos foram avaliados em cenários realistas, bastante próximos dos considerados no LTE. Os resultados mostram que os esquemas propostos são eficientes a remover a interferência entre células e que o desempenho das técnicas de alocação de potência propostas é claramente superior ao caso de não alocação de potência. O desempenho dos sistemas completamente distribuídos é inferior aos baseados num processamento centralizado, mas em contrapartida podem ser usados em sistemas em que a rede de suporte não permita a troca de grandes quantidades de informação.

Establishment of stackable community networks

Uma das áreas de investigação em Telecomunicações de interesse crescente prende-se com os futuros sistemas de comunicações móveis de 4a geração e além destes. Nos últimos anos tem sido desenvolvido o conceito de redes comunitárias, no qual os utilizadores se agregam de acordo com interesses comuns. Estes conceitos têm sido explorados de uma forma horizontal em diferentes camadas da comunicação, desde as redes comunitárias de comunicação (Seattle Wireless ou Personal Telco, p.ex.) até às redes de interesses peer-to-peer. No entanto, estas redes são usualmente vistas como redes de overlay, ou simplesmente redes de associação livre. Na prática, a noção de uma rede auto-organizada, completamente orientada ao serviço/comunidade, integralmente suportada em termos de arquitetura, não existe. Assim este trabalho apresenta uma realização original nesta área de criação de redes comunitárias, com uma arquitetura subjacente orientada a serviço, e que suporta integralmente múltiplas redes comunitárias no mesmo dispositivo, com todas as características de segurança, confiança e disponibilização de serviço necessárias neste tipo de cenários (um nó pode pertencer simultaneamente a mais do que uma rede comunitária). Devido à sua importância para os sistemas de redes comunitárias, foi dado particular atenção a aspetos de gestão de recursos e controlo de acessos. Ambos realizados de uma forma descentralizada e considerando mecanismos dotados de grande escalabilidade. Para isso, é apresentada uma linguagem de políticas que suporta a criação de comunidades virtuais. Esta linguagem não é apenas utilizada para o mapeamento da estrutura social dos membros da comunidade, como para, gerir dispositivos, recursos e serviços detidos pelos membros, de uma forma controlada e distribuída.

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.

Context-based wireless mesh networks

In the modern society, new devices, applications and technologies, with sophisticated capabilities, are converging in the same network infrastructure. Users are also increasingly demanding in personal preferences and expectations, desiring Internet connectivity anytime and everywhere. These aspects have triggered many research efforts, since the current Internet is reaching a breaking point trying to provide enough flexibility for users and profits for operators, while dealing with the complex requirements raised by the recent evolution. Fully aligned with the future Internet research, many solutions have been proposed to enhance the current Internet-based architectures and protocols, in order to become context-aware, that is, to be dynamically adapted to the change of the information characterizing any network entity. In this sense, the presented Thesis proposes a new architecture that allows to create several networks with different characteristics according to their context, on the top of a single Wireless Mesh Network (WMN), which infrastructure and protocols are very flexible and self-adaptable. More specifically, this Thesis models the context of users, which can span from their security, cost and mobility preferences, devices’ capabilities or services’ quality requirements, in order to turn a WMN into a set of logical networks. Each logical network is configured to meet a set of user context needs (for instance, support of high mobility and low security). To implement this user-centric architecture, this Thesis uses the network virtualization, which has often been advocated as a mean to deploy independent network architectures and services towards the future Internet, while allowing a dynamic resource management. This way, network virtualization can allow a flexible and programmable configuration of a WMN, in order to be shared by multiple logical networks (or virtual networks - VNs). Moreover, the high level of isolation introduced by network virtualization can be used to differentiate the protocols and mechanisms of each context-aware VN. This architecture raises several challenges to control and manage the VNs on-demand, in response to user and WMN dynamics. In this context, we target the mechanisms to: (i) discover and select the VN to assign to an user; (ii) create, adapt and remove the VN topologies and routes. We also explore how the rate of variation of the user context requirements can be considered to improve the performance and reduce the complexity of the VN control and management. Finally, due to the scalability limitations of centralized control solutions, we propose a mechanism to distribute the control functionalities along the architectural entities, which can cooperate to control and manage the VNs in a distributed way.

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.

Reliable and energy efficient routing for ad hoc networks

In Mobile Ad hoc NETworks (MANETs), where cooperative behaviour is mandatory, there is a high probability for some nodes to become overloaded with packet forwarding operations in order to support neighbor data exchange. This altruistic behaviour leads to an unbalanced load in the network in terms of traffic and energy consumption. In such scenarios, mobile nodes can benefit from the use of energy efficient and traffic fitting routing protocol that better suits the limited battery capacity and throughput limitation of the network. This PhD work focuses on proposing energy efficient and load balanced routing protocols for ad hoc networks. Where most of the existing routing protocols simply consider the path length metric when choosing the best route between a source and a destination node, in our proposed mechanism, nodes are able to find several routes for each pair of source and destination nodes and select the best route according to energy and traffic parameters, effectively extending the lifespan of the network. Our results show that by applying this novel mechanism, current flat ad hoc routing protocols can achieve higher energy efficiency and load balancing. Also, due to the broadcast nature of the wireless channels in ad hoc networks, other technique such as Network Coding (NC) looks promising for energy efficiency. NC can reduce the number of transmissions, number of re-transmissions, and increase the data transfer rate that directly translates to energy efficiency. However, due to the need to access foreign nodes for coding and forwarding packets, NC needs a mitigation technique against unauthorized accesses and packet corruption. Therefore, we proposed different mechanisms for handling these security attacks by, in particular by serially concatenating codes to support reliability in ad hoc network. As a solution to this problem, we explored a new security framework that proposes an additional degree of protection against eavesdropping attackers based on using concatenated encoding. Therefore, malicious intermediate nodes will find it computationally intractable to decode the transitive packets. We also adopted another code that uses Luby Transform (LT) as a pre-coding code for NC. Primarily being designed for security applications, this code enables the sink nodes to recover corrupted packets even in the presence of byzantine attacks.

Exercit@rt mobile : monitorização da reabilitação respiratória na DPOC

A prevalência estimada da Doença Pulmonar Obstrutiva Crónica (DPOC) em Portugal é de 14,2% para indivíduos com idade superior a 45 anos (cerca de 800.000 indivíduos), sendo mais prevalente no sexo masculino (Observatório Nacional das Doenças Respiratórias, 2014). Com o aparecimento de soluções baseadas em novas modalidades de eHealth e mHealth surgiram novas formas de acompanhamento e monitorização das doenças crónicas, nomeadamente da DPOC. É neste contexto que foi desenvolvida a aplicação mobile Exercit@rt, em parceria com a Escola Superior de Saúde da Universidade de Aveiro e em continuidade com outros estudos do MCMM anteriormente desenvolvidos. A aplicação permite monitorizar, em tempo real, através da utilização de um oxímetro Bluetooth, os níveis de batimento cardíaco e saturação de oxigénio dos pacientes com DPOC. Com esta aplicação os pacientes podem realizar diversos exercícios de fisioterapia respiratória assim como atividades físicas de vida diária que podem ser monitorizadas, georreferenciadas e avaliadas. Para além do desenvolvimento da aplicação mobile, a presente investigação integrou ainda uma etapa de validação que contou com a participação de dez pacientes com doenças do foro respiratório – cinco utilizadores que utilizam/têm smartphone (UTS) e cinco utilizadores não utilizam/não têm smartphone (NUNTS). A cada um destes foram propostas tarefas a realizar na aplicação mobile, estando previsto que a aplicação estivesse apta para qualquer participante. A totalidade dos participantes reconheceu a utilidade da aplicação no controlo da sua doença.

Melhoria da comunicação e do relacionamento entre o governo e os cidadãos com aplicativos móveis : o caso do m-government do estado de São Paulo

Esta dissertação tem como objetivo explorar como o governo do Estado de São Paulo pode utilizar a tecnologia para aproximar o Estado dos cidadãos por meio de aplicativos móveis. A intensificação do uso dos dispositivos móveis pela população brasileira e a recente ampliação do uso de m-government como esforço na busca da melhoria da prestação de serviços ao cidadão pelo Estado de São Paulo nas duas últimas décadas configuram o cenário em que foi estabelecido o Termo de Referência da Subsecretaria de Tecnologia e Serviços ao Cidadão, da Secretaria de Governo do Estado de São Paulo. Neste trabalho, houve a integração de métodos de pesquisa de diferentes naturezas: revisão da literatura, entrevistas semi-estruturadas com atores influentes na formulação das políticas públicas, avaliação da política de aplicativos móveis do Governo do Estado de São Paulo e dos próprios aplicativos, benchmarking de experiências internacionais e diagnóstico analítico da situação atual. Foram identificados como pontos fortes a importância da existência de uma subsecretaria próxima ao Governador, a criação de um aplicativo central que facilita o conhecimento dos aplicativos do governo existentes e a existência de uma empresa pública de processamento de dados com competência para desenvolver serviços e aplicativos. Como desafios foram identificados a estratégia de comunicação e divulgação dos aplicativos, ausência de legislação sobre m-government e a falta de uma política pública e planejamento estratégico consistente para orientar melhorias e alcance de resultados com rapidez e eficiência. Recomenda-se, principalmente: 1) que a Subsecretaria de Tecnologia e Serviços ao Cidadão atue como órgão central para além de emitir as diretrizes de e-goverment, também emanar as de m-government, 2) que o foco governamental seja na orientação do serviço ao cidadão e não primordialmente ao desenvolvimento de aplicativos e 3) a formulação e implementação de uma política clara para a difusão de m-government que seja passível de ser entendida e replicada por todos os atores governamentais e permeie todos os órgãos da administração direta e indireta, não se restringindo às áreas de TI. A abordagem de m-government ainda é incipiente no Brasil, necessitando de novos estudos acadêmicos complementares para consolidação de massa crítica sobre o tema. Este assunto receberá atenção e investimentos governamentais nos próximos anos. Conclui-se que o Estado de São Paulo está em uma boa direção, mas para avançar com efetividade os gestores estaduais devem se apropriar das melhores práticas da experiência internacional em m-government, havendo um longo caminho para melhorar o relacionamento entre o Estado e os cidadãos com o uso de aplicativos móveis, com a abordagem de um governo único para um cidadão único.

Modelo estatístico para aplicações no planejamento de sistemas móveis celulares em ambiente indoor multifontes

O projeto de sistemas de comunicações móveis requer o conhecimento do ambiente em que será implementado. Para tanto, busca-se a exatidão na predição de propagação do sinal através do uso de modelos de predição. O presente trabalho propõe um modelo empírico para a estimativa da intensidade de sinal recebida em ambientes indoor, e que apresentam mais de uma fonte transmissora, utilizando Sistema de Antenas Distribuídas (DAS). O método apresenta uma generalização para o caso de múltiplas fontes, também chamado multifontes, e como caso particular com apenas uma fonte. A modelagem é feita através do uso de radiais partindo de cada transmissor, com o intuito de considerar a variabilidade do sinal em ambientes indoor. Estas várias perturbações no sinal, que causam desvanecimento rápido são caracterizadas através das distribuições estatísticas de desvanecimento. As mais utilizadas como a de Rayleigh, Rice e Nakagami são apresentadas para caracterização do canal, além dessas são calculadas as distribuições recentemente desenvolvidas, de Kappa-mi e Eta-mi. Para a validação do modelo realizaram-se campanhas de medições em um shopping center, que possui um DAS, com o teste em dois ambientes distintos, um supermercado e uma praça de alimentação. As simulações são realizadas no software MATLAB® e o desempenho dos resultados avaliados através do cálculo dos erros absoluto, desvio padrão e erro rms.

Análise do modo de entrada e das estratégias de fornecimento dos fabricantes multinacionais de terminais móveis celulares no Brasil

Investiga os fatores da decisão de entrada e das estratégias de fornecimento de componentes dos fabricantes multinacionais de terminais móveis celulares no Brasil. Aponta considerações sobre os fundamentos da relação de custo e estratégia das decisões de suprimento das empresas multinacionais, bem como sobre implicações da decisão de fornecimento das multinacionais quanto à exploração das concessões de telefonia celular da Banda B a da estrutura de distribuição de terminais móveis celulares no país

Novo cenário da indústria das telecomunicações móveis celulares para o mercado brasileiro

Análise da evolução e configuração atual do setor de telecomunicações móveis celular, verificando a existência de correlações entre parâmetros de performance do setor e de parâmetros macroeconômicos, estabelecendo cenários previstos e comparando-os com dados reais. Aponta oportunidades de crescimento do mercado, considerando o potencial do mercado de telefonia móvel celular, relacionando com as perspectivas de crescimento econômico do país

Aplicações de Dispositivos de Microondas utilizando Substrato EBG/PBG para Comunicações Móveis

The modern society depends on an efficient communications system able to of transmitting and receiving information with a higher speed and reliability every time. The need for ever more efficient devices raises optimization techniques of microstrip devices, such as techniques to increase bandwidth: thicker substrates and substrate structures with EBG (Electromagnetic Band Gap) and PBG (Photonic Band Gap). This work has how aims the study of the application of PBG materials on substrates of planar structures in microstrip, more precisely in directional quadrature couplers and in rat-race and impedance of transformers. A study of the planar structures in microstrip and substrates EBG is presented. The PBG substrates can be used to optimize the radiation through the air, thus reducing the occurrence of surface waves and the resulting diffraction edge responsible for degradation of radiation pattern. Through specific programs in FORTRAN Power Station obtained the frequencies and couplings for each structure. Are used the program PACMO - Computer Aided Design in Microwave. Results are obtained of the frequency and coupling devices, ranging the frequency band used (cellular communication and Wimax systems) and the permittivity of the substrate, comparing the results of conventional material and PBG materials in the s and p polarizations.

Avaliação de desempenho de respostas motoras combinadas à digitação em diferentes teclados utilizados em dispositivos móveis

Pós-graduação em Desenvolvimento Humano e Tecnologias - IBRC