An HMM-based spectrum occupancy predictor for energy efficient cognitive radio

Spectrum sensing is the cornerstone of cognitive radio technology and refers to the process of obtaining awareness of the radio spectrum usage in order to detect the presence of other users. Spectrum sensing algorithms consume considerable energy and time. Prediction methods for inferring the channel occupancy of future time instants have been proposed as a means of improving performance in terms of energy and time consumption. This paper studies the performance of a hidden Markov model (HMM) spectrum occupancy predictor as well as the improvement in sensing energy and time consumption based on real occupancy data obtained in the 2.4GHz ISM band. Experimental results show that the HMM-based occupancy predictor outperforms a kth order Markov and a 1-nearest neighbour (1NN) predictor. Our study also suggests that by employing such a predictive scheme in spectrum sensing, an improvement of up to 66% can be achieved in the required sensing energy and time.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Development of neutron and X-ray imaging detectors based on MHSP

A Micro-Hole & Strip Plate (MHSP) é uma microestrutura desenvolvida recentemente em instituições universitárias portuguesas. Neste trabalho, o seu desempenho como detector para imagiologia é explorado, tendo como objectivo a imagiologia não só de neutrões, mas também de raios X. A aplicação do método da divisão resistiva de carga é aplicada a uma MHSP especialmente desenhada para sensibilidade em posição. Várias abordagens em termos da electrónica de aquisição de sinal são testadas, sem perder de vista a relação desempenho-preço. Resoluções espaciais abaixo de 1 mm foram obtidas com a MHSP a operar em xénon e tetrafluorometano, com um sistema de detecção a um preço modesto quando comparado com as alternativas, e apropriado para inúmeras aplicações em imagiologia de neutrões e de raios X.

Hole-type gaseous detectors for medical imaging and HEP experiments

This work presents the results on the development of a high pressure Xe gaseous detector envisaging medical imaging. The detector uses two VUV photosensors operating face-to-face, based on the CsI-MHSP with position discrimination capability. The known effect of the charge gain decrease with the gas pressure is compensated with a light gain using the electroluminescence process. Studies of signal amplitude, energy and position resolution are presented. On the second part, gaseous detectors based on THGEM where studied in order to fulfill the requirements of present and future high energy physics experiments. The work is focused on the application of THGEM in RICH detectors elements: a triple THGEM detector using CsI photocathodes in Ne mixtures was suggested. The ion backflow to the photocathode remains a concern and a limitation; to minimize it, the application of a new hole-structure, THCOBRA, was suggested. Preliminary results foresee good perspectives for the successful application of THCOBRA in ion back-flow suppression. This work contains several methods and measurements of the CsI photocathodes behaviour in radiation gaseous detectors. A long discussion on its issues and possible solutions are presented.

Study of the impact from nonlinear distortion in radio receiver architectures

A dissertação de doutoramento apresentada insere-se na área de electrónica não-linear de rádio-frequência (RF), UHF e microondas, tendo como principal campo de acção o estudo da distorção nãolinear em arquitecturas de recepção rádio, nomeadamente receptores de conversão directa como Power Meters, RFID (Radio Frequency IDentification) ou SDR (Software Define Radio) front-ends. Partindo de um estudo exaustivo das actuais arquitecturas de recepção de radiofrequência e revendo todos os conceitos teóricos relacionados com o desempenho não-linear dos sistemas/componentes electrónicos, foram desenvolvidos algoritmos matemáticos de modulação dos comportamentos não-lineares destas arquitecturas, simulados e testados em laboratório e propostas novas arquitecturas para a minimização ou cancelamento do impacto negativo de grandes interferidores em frequências vizinhas ao do sistema pretendido.

Characterization and modelling of software defined radio front-ends

O presente trabalho tem por objectivo estudar a caracterização e modelação de arquitecturas de rádio frequência para aplicações em rádios definidos por software e rádios cognitivos. O constante aparecimento no mercado de novos padrões e tecnologias para comunicações sem fios têm levantado algumas limitações à implementação de transceptores rádio de banda larga. Para além disso, o uso de sistemas reconfiguráveis e adaptáveis baseados no conceito de rádio definido por software e rádio cognitivo assegurará a evolução para a próxima geração de comunicações sem fios. A ideia base desta tese passa por resolver alguns problemas em aberto e propor avanços relevantes, tirando para isso partido das capacidades providenciadas pelos processadores digitais de sinal de forma a melhorar o desempenho global dos sistemas propostos. Inicialmente, serão abordadas várias estratégias para a implementação e projecto de transceptores rádio, concentrando-se sempre na aplicabilidade específica a sistemas de rádio definido por software e rádio cognitivo. Serão também discutidas soluções actuais de instrumentação capaz de caracterizar um dispositivo que opere simultaneamente nos domínios analógico e digital, bem como, os próximos passos nesta área de caracterização e modelação. Além disso, iremos apresentar novos formatos de modelos comportamentais construídos especificamente para a descrição e caracterização não-linear de receptores de amostragem passa-banda, bem como, para sistemas nãolineares que utilizem sinais multi-portadora. Será apresentada uma nova arquitectura suportada na avaliação estatística dos sinais rádio que permite aumentar a gama dinâmica do receptor em situações de multi-portadora. Da mesma forma, será apresentada uma técnica de maximização da largura de banda de recepção baseada na utilização do receptor de amostragem passa-banda no formato complexo. Finalmente, importa referir que todas as arquitecturas propostas serão acompanhadas por uma introdução teórica e simulações, sempre que possível, sendo após isto validadas experimentalmente por protótipos laboratoriais.

Characterization of RSOA modulators in radio over fiber links

In this work physical and behavioral models for a bulk Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA) modulator in Radio over Fiber (RoF) links are proposed. The transmission performance of the RSOA modulator is predicted under broadband signal drive. At first, the simplified physical model for the RSOA modulator in RoF links is proposed, which is based on the rate equation and traveling-wave equations with several assumptions. The model is implemented with the Symbolically Defined Devices (SDD) in Advanced Design System (ADS) and validated with experimental results. Detailed analysis regarding optical gain, harmonic and intermodulation distortions, and transmission performance is performed. The distribution of the carrier and Amplified Spontaneous Emission (ASE) is also demonstrated. Behavioral modeling of the RSOA modulator is to enable us to investigate the nonlinear distortion of the RSOA modulator from another perspective in system level. The Amplitude-to-Amplitude Conversion (AM-AM) and Amplitude-to-Phase Conversion (AM-PM) distortions of the RSOA modulator are demonstrated based on an Artificial Neural Network (ANN) and a generalized polynomial model. Another behavioral model based on Xparameters was obtained from the physical model. Compensation of the nonlinearity of the RSOA modulator is carried out based on a memory polynomial model. The nonlinear distortion of the RSOA modulator is reduced successfully. The improvement of the 3rd order intermodulation distortion is up to 17 dB. The Error Vector Magnitude (EVM) is improved from 6.1% to 2.0%. In the last part of this work, the performance of Fibre Optic Networks for Distributed and Extendible Heterogeneous Radio Architectures and Service Provisioning (FUTON) systems, which is the four-channel virtual Multiple Input Multiple Output (MIMO), is predicted by using the developed physical model. Based on Subcarrier Multiplexing (SCM) techniques, four-channel signals with 100 MHz bandwidth per channel are generated and used to drive the RSOA modulator. The transmission performance of the RSOA modulator under the broadband multi channels is depicted with the figure of merit, EVM under di erent adrature Amplitude Modulation (QAM) level of 64 and 254 for various number of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) subcarriers of 64, 512, 1024 and 2048.

Q-enhancement with on-chip inductor optimization for reconfigurable Δ-Σ radio-frequency ADC

The paper details on-chip inductor optimization for a reconfigurable continuous-time delta-sigma (Δ-Σ) modulator based radio-frequency analog-to-digital converter. Inductor optimisation enables the Δ-Σ modulator with Q enhanced LC tank circuits employing a single high Q-factor on-chip inductor and lesser quantizer levels thereby reducing the circuit complexity for excess loop delay, power dissipation and dynamic element matching. System level simulations indicate at a Q-factor of 75 Δ- Σ modulator with a 3-level quantizer achieves dynamic ranges of 106, 82 dB and 84 dB for RFID, TETRA, and Galileo over bandwidths of 200 kHz, 10 MHz and 40 MHz respectively.

Conception d'un examen clinique objectif structuré pour le volet pratique de l'épreuve synthèse du programme Technologie de radio-oncologie.

Cet essai vise la conception d'un examen clinique objectif structuré (ECOS) comme volet pratique à ajouter à l'épreuve synthèse de programme actuellement utilisée par les enseignantes et les enseignants du Département de radio-oncologie du Collège Ahunstic. L'épreuve synthèse de programme actuelle consiste à la production d'un travail de recherche sur une pathologie cancéreuse. Cette nouvelle épreuve s'inscrit dans une logique d'une plus grande cohérence avec l'approche par compétences (APC), les exigences légales, réglementaires et pédagogiques liées à cette approche. Une recension d'écrits pertinents en lien avec l'objectif visé par cet essai nous a permis de constater que l'ECOS est un type d'évaluation pratique et authentique qui permet l'évaluation des performances complexes, ce qui est tout à fait approprié avec l'APC. À travers cette recension, nous avons mis en lumière les caractéristiques de cette forme d'évaluation.

Radio over fiber broadband access networks architectures based on wavelength division multiplexing techniques

The recent remarkable growth in bandwidth of both wired optical and wireless access networks supports a burst of new high bandwidth Internet applications such as: peer-topeer file sharing, cloud storage, on-line gaming, video streaming, etc. Within this scenario, the convergence of fixed and wireless access networks offers significant opportunities for network operators to satisfy user demands, and simultaneously reduce the cost of implementing and running separated wireless and wired networks. The integration of wired and wireless network can be accomplished within several scenarios and at several levels. In this thesis we will focus on converged radio over fiber architectures, particularly on two application scenarios: converged optical 60 GHz wireless networks and wireless overlay backhauling over bidirectional colorless wavelength division multiplexing passive optical networks (WDM-PONs). In the first application scenario, optical 60 GHz signal generation using external modulation of an optical carrier by means of lithium niobate (LiNbO3) Mach- Zehnder modulators (MZM) is considered. The performance of different optical modulation techniques, robust against fiber dispersion is assessed and dispersion mitigation strategies are identified. The study is extended to 60 GHz carriers digitally modulated with data and to systems employing subcarrier multiplexed (SCM) mm-wave channels. In the second application scenario, the performance of WDM-PONs employing reflective semiconductor optical amplifiers (RSOAs), transmitting an overlay orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) wireless signal is assessed analytically and experimentally, with the relevant system impairments being identified. It is demonstrated that the intermodulation due to the beating of the baseband signal and wireless signal at the receiver can seriously impair the wireless channel. Performance degradation of the wireless channel caused by the RSOA gain modulation owing to the downstream baseband data is also assessed, and system design guidelines are provided.

Radio Frequency Synthesis for Power-Constrained Systems

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2015

Bi-Dimensional Characterization of a Wimax Radio Channel at 3.5GHz

This paper presents the characterization of an indoor Wimax radio channel using the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) [1] method complemented with the Convolutional Perfect Matched Layer (CPML) technique [2]. An indoor 2D scenario is simulated in the 3.5GHz band (IEEE 802.16d-2004 and IEEE 802.16e-2005 [3]). In this study, we used two complementary techniques in both analysis, technique A and B for fading based on delay spread and technique C and D for fading based on Doppler spread. Both techniques converge to the same result. Simulated results define the channel as flat, slow and without inter-symbolic interference (ISI), making the application of the spatial diversity the most appropriate scheme.

Radio link quality estimation in wireless sensor networks: a survey

Radio link quality estimation in Wireless Sensor Networks (WSNs) has a fundamental impact on the network performance and also affects the design of higher-layer protocols. Therefore, for about a decade, it has been attracting a vast array of research works. Reported works on link quality estimation are typically based on different assumptions, consider different scenarios, and provide radically different (and sometimes contradictory) results. This article provides a comprehensive survey on related literature, covering the characteristics of low-power links, the fundamental concepts of link quality estimation in WSNs, a taxonomy of existing link quality estimators, and their performance analysis. To the best of our knowledge, this is the first survey tackling in detail link quality estimation in WSNs. We believe our efforts will serve as a reference to orient researchers and system designers in this area.

Neighbour list optimization for real LTE radio network

With the increasing complexity of current networks, it became evident the need for Self-Organizing Networks (SON), which aims to automate most of the associated radio planning and optimization tasks. Within SON, this paper aims to optimize the Neighbour Cell List (NCL) for Long Term Evolution (LTE) evolved NodeBs (eNBs). An algorithm composed by three decisions were were developed: distance-based, Radio Frequency (RF) measurement-based and Handover (HO) stats-based. The distance-based decision, proposes a new NCL taking account the eNB location and interference tiers, based in the quadrants method. The last two algorithms consider signal strength measurements and HO statistics, respectively; they also define a ranking to each eNB and neighbour relation addition/removal based on user defined constraints. The algorithms were developed and implemented over an already existent radio network optimization professional tool. Several case studies were produced using real data from a Portuguese LTE mobile operator. © 2014 IEEE.