Recursive neuro fuzzy techniques for online identification and control

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Implementing the SC-FDMA transmission technique using the GNURadio platform

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Redes de acesso aleatório com capacidade de receção de múltiplos pacotes

Com o aumento do número de dispositivos móveis, os sistemas de comunicação sem fios têm evoluído de forma a aumentar os débitos de transferência de dados. Nos sistemas de comunicação sem fios tradicionais, um nó recetor apenas permite a receção de um sinal de cada vez (Single Packet Reception - SPR). Com o aparecimento de técnicas de receção múltipla (ex. CDMA, UWB, MU-MIMO), tornou-se possível a receção de múltiplos pacotes em simultâneo (Multipacket Reception - MPR). Porém, os protocolos de controlo de acesso ao meio (MAC) não foram adaptados de forma a tirar partido da capacidade de MPR no recetor. Esta dissertação aborda a condição de receção de múltiplos pacotes em simultâneo, caracterizando o número médio de pacotes recebidos, tendo em conta o número total de transmissões. A partir desta caracterização, é estudado o desempenho de três protocolos MAC. Os protocolos são baseados numa fase de negociação seguida de uma fase de transmissão. A caracterização do número médio de pacotes recebidos permite avaliar de uma forma integrada (nível físico e MAC) o desempenho dos diferentes protocolos MAC. Finalmente, a avaliação de desempenho evidencia o aumento de débito quando é utilizado MPR nas duas fases (negociação e transmissão), o que constitui um bom ponto de partida para o desenho de futuros protocolos MAC para sistemas MPR.

Desempenho de técnicas de acesso distribuído em sistemas de comunicação sem fios de múltipla receção

Nas redes sem fios tradicionais, os nós recetores permitem apenas uma única receção individual. Contudo com o aumento do número de dispositivos móveis nas redes sem fios, tem-se explorado novas técnicas que permitem múltiplas receções em simultâneo (Multipacket Reception) (MPR), tais como CDMA, OFDMA e MU-MIMO. Estas técnicas permitem melhorar o desempenho dos sistemas, aumentando também os débitos de transferências de dados. Apesar deste desenvolvimento, os protocolos de controlo de acesso ao meio não estão desenhados para suportar múltiplas receções, admitindo ainda os pressupostos originais. Isto faz com que se estejam a desperdiçar recursos do canal, não aproveitando ao máximo as capacidades que os sistemas MPR têm para oferecer. Nesta dissertação estuda-se a condição de receção com sucesso de múltiplas transmissões. Isto permite obter um modelo para caracterizar o número de transmissões recebidas com sucesso tendo em conta o número de nós que transmitem em simultâneo e modelando também a probabilidade de receção com sucesso individual. A partir desta caracterização, é verificado o desempenho de cinco protocolos MAC diferentes com suporte para múltiplas receções em simultâneo. Realizando uma avaliação integrada (tendo em conta o nível físico e o nível MAC) para os diferentes protocolos estudados, realiza-se uma avaliação comparativa relativamente ao débito atingido por cada um deles. Propõem-se por fim dois novos protocolos MAC com suporte para múltiplas transmissões em simultâneo para que se faça um melhor aproveitamento das capacidades permitidas pelos sistemas MPR, atingindo também melhores débitos.

Analysis and design of sinusoidal quadrature RC-oscillators

Modern telecommunication equipment requires components that operate in many different frequency bands and support multiple communication standards, to cope with the growing demand for higher data rate. Also, a growing number of standards are adopting the use of spectrum efficient digital modulations, such as quadrature amplitude modulation (QAM) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). These modulation schemes require accurate quadrature oscillators, which makes the quadrature oscillator a key block in modern radio frequency (RF) transceivers. The wide tuning range characteristics of inductorless quadrature oscillators make them natural candidates, despite their higher phase noise, in comparison with LC-oscillators. This thesis presents a detailed study of inductorless sinusoidal quadrature oscillators. Three quadrature oscillators are investigated: the active coupling RC-oscillator, the novel capacitive coupling RCoscillator, and the two-integrator oscillator. The thesis includes a detailed analysis of the Van der Pol oscillator (VDPO). This is used as a base model oscillator for the analysis of the coupled oscillators. Hence, the three oscillators are approximated by the VDPO. From the nonlinear Van der Pol equations, the oscillators’ key parameters are obtained. It is analysed first the case without component mismatches and then the case with mismatches. The research is focused on determining the impact of the components’ mismatches on the oscillator key parameters: frequency, amplitude-, and quadrature-errors. Furthermore, the minimization of the errors by adjusting the circuit parameters is addressed. A novel quadrature RC-oscillator using capacitive coupling is proposed. The advantages of using the capacitive coupling are that it is noiseless, requires a small area, and has low power dissipation. The equations of the oscillation amplitude, frequency, quadrature-error, and amplitude mismatch are derived. The theoretical results are confirmed by simulation and by measurement of two prototypes fabricated in 130 nm standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. The measurements reveal that the power increase due to the coupling is marginal, leading to a figure-of-merit of -154.8 dBc/Hz. These results are consistent with the noiseless feature of this coupling and are comparable to those of the best state-of-the-art RC-oscillators, in the GHz range, but with the lowest power consumption (about 9 mW). The results for the three oscillators show that the amplitude- and the quadrature-errors are proportional to the component mismatches and inversely proportional to the coupling strength. Thus, increasing the coupling strength decreases both the amplitude- and quadrature-errors. With proper coupling strength, a quadrature error below 1° and amplitude imbalance below 1% are obtained. Furthermore, the simulations show that increasing the coupling strength reduces the phase noise. Hence, there is no trade-off between phase noise and quadrature error. In the twointegrator oscillator study, it was found that the quadrature error can be eliminated by adjusting the transconductances to compensate the capacitance mismatch. However, to obtain outputs in perfect quadrature one must allow some amplitude error.

Segurança no nível físico em sistemas multi-antena com diretividade na informação

Os sistemas de comunicação sem fios são sistemas de difusão por natureza. Devido a essa sua natureza, um dos problemas inerentes à mesma deve-se à segurança e ao secretismo, pois se o canal é partilhado a informação facilmente é obtida por um utilizador não autorizado, ao contrário dos sistemas de comunicação com fios. Tradicionalmente, a introdução de segurança em sistemas de comunicação, resulta na encriptação da informação, resultante de protocolos de encriptação. No entanto, a segurança através da criptografia baseia-se na premissa de que o utilizador não autorizado tem uma capacidade de processamento limitada, pois senão poderia simplesmente tentar todas as combinações possíveis e obter a chave de encriptação. Como a capacidade de processamento tem crescido exponencialmente, este tipo de sistemas tem se tornado cada vez mais complexos para não se tornarem obsoletos. A introdução de segurança na camada física torna-se então uma opção apelativa pois pode servir como um complemento, visto que os sistemas de criptografia funcionam em camadas superiores independentes da camada fisica, apresentando assim uma abordagem multi-camada em termos de segurança. Tipicamente as técnicas de segurança no nível físico podem se agrupar em 2 tipos: técnicas que se baseiam em códigos, ou técnicas que exploram variações temporais e espaciais do canal. As primeiras diminuem a eficiência espectral do sistema, e as segundas apresentam bons resultados em ambientes dinâmicos, mas em ambientes estáticos não são muito promissores. Há também a necessidade de aumentar as taxas de transmissão nos próximos sistemas de comunicação. Devido a estes requisitos, uma das tecnologias propostas para a nova geração de comunicações, é uma tecnologia baseada numa arquitectura Multiple-Input-Multiple-Output(MIMO). Esta tecnologia é promissora e consegue atingir taxas de transferências que correspondem aos requisitos propostos. Apresenta-se assim uma nova técnica de segurança no nível físico, que explora as caracteristicas físicas do sistema, como um complemento a outras medidas de segurança em camadas mais altas. Esta técnica não provoca diminuição da eficiência espectral e é independente do canal, o que tenta solucionar os problemas das restantes técnicas já existentes.

Frequency-domain receiver design for doubly-selective channels

This work is devoted to the broadband wireless transmission techniques, which are serious candidates to be implemented in future broadband wireless and cellular systems, aiming at providing high and reliable data transmission and concomitantly high mobility. In order to cope with doubly-selective channels, receiver structures based on OFDM and SC-FDE block transmission techniques, are proposed, which allow cost-effective implementations, using FFT-based signal processing. The first subject to be addressed is the impact of the number of multipath components, and the diversity order, on the asymptotic performance of OFDM and SC-FDE, in uncoded and for different channel coding schemes. The obtained results show that the number of relevant separable multipath components is a key element that influences the performance of OFDM and SC-FDE schemes. Then, the improved estimation and detection performance of OFDM-based broadcasting systems, is introduced employing SFN (Single Frequency Network) operation. An initial coarse channel is obtained with resort to low-power training sequences estimation, and an iterative receiver with joint detection and channel estimation is presented. The achieved results have shown very good performance, close to that with perfect channel estimation. The next topic is related to SFN systems, devoting special attention to time-distortion effects inherent to these networks. Typically, the SFN broadcast wireless systems employ OFDM schemes to cope with severely time-dispersive channels. However, frequency errors, due to CFO, compromises the orthogonality between subcarriers. As an alternative approach, the possibility of using SC-FDE schemes (characterized by reduced envelope fluctuations and higher robustness to carrier frequency errors) is evaluated, and a technique, employing joint CFO estimation and compensation over the severe time-distortion effects, is proposed. Finally, broadband mobile wireless systems, in which the relative motion between the transmitter and receiver induces Doppler shift which is different or each propagation path, is considered, depending on the angle of incidence of that path in relation to the direction of travel. This represents a severe impairment in wireless digital communications systems, since that multipath propagation combined with the Doppler effects, lead to drastic and unpredictable fluctuations of the envelope of the received signal, severely affecting the detection performance. The channel variations due this effect are very difficult to estimate and compensate. In this work we propose a set of SC-FDE iterative receivers implementing efficient estimation and tracking techniques. The performance results show that the proposed receivers have very good performance, even in the presence of significant Doppler spread between the different groups of multipath components.

Sistemas de comunicaciones para vuelos no tripulados

La iniciativa ATLANTIDA engloba numerosos estudios de ingeniería con el objetivo de reformar el actual sistema de gestión del tráfico aéreo. Dentro de estos estudios se encuentran diversas investigaciones en el campo de las comunicaciones móviles. La gran variabilidad del entorno aeronáutico promueve el estudio de sistemas de comunicaciones móviles capaces de funcionar en este tipo de entorno. Este proyecto propone un sistema de comunicaciones WiMAX en un entorno aeronáutico con aviones no tripulados utilizando la modulación OFDM.

Andrés Pérez: una vida para el teatro

Si pienso en el teatro, más allá de una definición académica del término, pienso en una fiesta y un evento popular con participación “masiva”, pienso en un ritual, en un espacio sagrado y todo eso está presente en el trabajo de Andrés Pérez. Esta es mi verdad, la que voy a contar en este escrito, una verdad subjetiva sin duda y además una verdad que pasa no solo a través de lo efímero del teatro, sino también pasa por los recuerdos de mis testigos, por su memoria, gracias a las entrevistas que he realizado, a las notas de prensa y a los libros que he leído, la figura de Andrés Pérez ha tomado cuerpo y voz, por ejemplo con los videos que he logrado encontrar donde se hace presente. Otro elemento para mí interesante de la figura de Andrés es la popularidad que tiene en Chile y en Suramérica. Es muy conocido por haber trabajado casi siempre con personajes e historias marginales y por no haberse olvidado nunca de donde venía, llevando así el teatro a lugares pobres, por eso la gente lo ama: es una figura viva en la memoria de la sociedad chilena. La figura de Andrés Pérez, quedó grabada en el imaginario colectivo y se ha convertido en un héroe post dictadura y en plena época de reconciliación ha llegado al éxito. Fue el creador de un teatro masivo y popular, uniendo elementos del circo, magia, mimo, danza, teatro, música…

Is the PHY layer dead?

This article originates from a panel with the above title, held at IEEE VTC Spring 2009, in which the authors took part. The enthusiastic response it received prompted us to discuss for a wider audience whether research at the physical layer (PHY) is still relevant to the field of wireless communications. Using cellular systems as the axis of our exposition, we exemplify areas where PHY research has indeed hit a performance wall and where any improvements are expected to be marginal. We then discuss whether the research directions taken in the past have always been the right choice and how lessons learned could influence future policy decisions. Several of the raised issues are subsequently discussed in greater details, e.g., the growing divergence between academia and industry. With this argumentation at hand, we identify areas that are either under-developed or likely to be of impact in coming years - hence corroborating the relevance and importance of PHY research.

A unified treatment of optimum pilot overhead in multipath fading channels

The optimization of the pilot overhead in single-user wireless fading channels is investigated, and the dependence of this overhead on various system parameters of interest (e.g., fading rate, signal-to-noise ratio) is quantified. The achievable pilot-based spectral efficiency is expanded with respect to the fading rate about the no-fading point, which leads to an accurate order expansion for the pilot overhead. This expansion identifies that the pilot overhead, as well as the spectral efficiency penalty with respect to a reference system with genie-aided CSI (channel state information) at the receiver, depend on the square root of the normalized Doppler frequency. It is also shown that the widely-used block fading model is a special case of more accurate continuous fading models in terms of the achievable pilot-based spectral efficiency. Furthermore, it is established that the overhead optimization for multiantenna systems is effectively the same as for single-antenna systems with the normalized Doppler frequency multiplied by the number of transmit antennas.

On fast-decodable space-time block codes

We focus on full-rate, fast-decodable space–time block codes (STBCs) for 2 x 2 and 4 x 2 multiple-input multiple-output (MIMO) transmission. We first derive conditions and design criteria for reduced-complexity maximum-likelihood (ML) decodable 2 x 2 STBCs, and we apply them to two families of codes that were recently discovered. Next, we derive a novel reduced-complexity 4 x 2 STBC, and show that it outperforms all previously known codes with certain constellations.

On high-rate full-diversity 2x2 space-time codes with low-complexity optimum detection

The 2×2 MIMO profiles included in Mobile WiMAX specifications are Alamouti’s space-time code (STC) fortransmit diversity and spatial multiplexing (SM). The former hasfull diversity and the latter has full rate, but neither of them hasboth of these desired features. An alternative 2×2 STC, which is both full rate and full diversity, is the Golden code. It is the best known 2×2 STC, but it has a high decoding complexity. Recently, the attention was turned to the decoder complexity, this issue wasincluded in the STC design criteria, and different STCs wereproposed. In this paper, we first present a full-rate full-diversity2×2 STC design leading to substantially lower complexity ofthe optimum detector compared to the Golden code with only a slight performance loss. We provide the general optimized form of this STC and show that this scheme achieves the diversitymultiplexing frontier for square QAM signal constellations. Then, we present a variant of the proposed STC, which provides a further decrease in the detection complexity with a rate reduction of 25% and show that this provides an interesting trade-off between the Alamouti scheme and SM.

Mutual information of IID complex Gaussian signals on block Rayleigh-faded channels

We present a method to compute, quickly and efficiently, the mutual information achieved by an IID (independent identically distributed) complex Gaussian signal on a block Rayleigh-faded channel without side information at the receiver. The method accommodates both scalar and MIMO (multiple-input multiple-output) settings. Operationally, this mutual information represents the highest spectral efficiency that can be attained using Gaussiancodebooks. Examples are provided that illustrate the loss in spectral efficiency caused by fast fading and how that loss is amplified when multiple transmit antennas are used. These examples are further enriched by comparisons with the channel capacity under perfect channel-state information at the receiver, and with the spectral efficiency attained by pilot-based transmission.

Mutual Information of IID complex Gaussian signals on block Rayleigh-faded channels

We present a method to compute, quickly and efficiently, the mutual information achieved by an IID (independent identically distributed) complex Gaussian signal on a block Rayleigh-faded channel without side information at the receiver. The method accommodates both scalar and MIMO (multiple-input multiple-output) settings. Operationally, this mutual information represents the highest spectral efficiency that can be attained using Gaussiancodebooks. Examples are provided that illustrate the loss in spectral efficiency caused by fast fading and how that loss is amplified when multiple transmit antennas are used. These examples are further enriched by comparisons with the channel capacity under perfect channel-state information at the receiver, and with the spectral efficiency attained by pilot-based transmission.