Power allocation strategies across N orthogonal channels for single-relay networks at both source and relay

We consider a wireless relay network with one source, one relay and one destination, where communications between nodes are preformed over N orthogonal channels. This, for example, is the case when orthogonal frequency division multiplexing is employed for data communications. Since the power available at the source and relay is limited, we study optimal power allocation strategies at the source and relay in order to maximize the overall source-destination capacity. Depending on the availability of the channel state information at both the source and relay or only at the relay, power allocation is performed at both the source and relay or only at the relay. Considering different setups for the problem, various optimization problems are formulated and solved. Some properties of the optimal solution are also proved.

Circular polarisation frequency selective surface operating in Ku and Ka band

Single and double layer frequency selective surfaces (FSS) for Circular polarization (CP) operation were designed. The designed FSS provide reflection in the Ku-band (11.7 – 12.75 GHz) and transmission in the Ka-band (17.3 – 20.2 GHz). CP is conserved in each of the bands. For the double layer design over the Ku-band the reflection loss was less than 0.05 dB for TE and TM polarizations while the axial ratio was below 0.2 dB. Over the Ka-band transmission loss and axial ratio were each less than 0.25 dB.

Cognitive Single Carrier Systems: Joint Impact of Multiple Licensed Transceivers

In this paper, the impact of interference from multiple licensed transceivers on cognitive underlay single carrier systems is examined. Specifically, the situation is considered in which the secondary network is limited by three key parameters: 1) maximum transmit power at the secondary transmitter, 2) peak interference power at the primary receivers, and 3) interference power from the primary transmitters. For this cognitive underlay single carrier system, the signal-to-interference ratio (SIR) of the secondary network is obtained for transmission over frequency selective fading channels. Based on this, a new closedform expression for the cumulative distribution function of the SIR is evaluated, from which the outage probability and the ergodic capacity are derived. Further insights are established by analyzing the asymptotic outage probability and the asymptotic ergodic capacity in the high transmission power regime. In particular, it is corroborated that the asymptotic outage diversity gain is equal to the multipath gain of the frequency selective channel in the secondary network. The asymptotic ergodic capacity also gives new insight into the additional power cost for different network parameters while maintaining a specified target ergodic capacity. Illustrative numerical examples are presented to validate the outage probability and ergodic capacity under different interference power profiles.

A 2.2 GHz High-Efficiency Third-Harmonic-Peaking Class-EF Power Amplifier

This paper presents the design and implementation of a low-voltage-stress Class-EF power amplifier (PA) with extended maximum operating frequency, named as ‘third-harmonic-peaking Class-EF PA’. A novel transmission-line load network is proposed to meet the Class-EF impedance requirements at the fundamental, all even harmonics, and third harmonic components. It also provides an impedance matching to a 50 Ω load. A more effective λ/8 open- and shorted-stub network is deployed at the drain of the transistor replacing the traditional λ/4 transmission line. Implemented using GaN HEMTs, the PA delivered 39.2 dBm output power with 80.5% drain efficiency and 71% PAE at 2.22 GHz.

E-Band Transformer-Based Differential 4-Way Power-Combining Amplifier

This paper presents the design and implementation of a differential 4-way power-combining amplifier operating at E-band. The proposed 4-way power combiner (4WPC) facilitates short interconnects to the PA cells, thereby resulting in reduced loss. Simple C-L-C and L-C networks are deployed in order to compensate inductive loading due to the routing lines that would otherwise introduce mismatch and subsequently increase overall loss. Realized in SiGe technology, the PA prototype delivered 13.2 dBm output-referred 1-dB compression point and 14.3 dBm saturated output power when operated from a single 3.3 V DC supply at 75 GHz.

Security Enhancement of Cooperative Single Carrier Systems

In this paper, the impact of multiple active eavesdroppers on cooperative single carrier systems with multiple relays and multiple destinations is examined. To achieve the secrecy diversity gains in the form of opportunistic selection, a two-stage scheme is proposed for joint relay and destination selection, in which, after the selection of the relay with the minimum effective maximum signal-to-noise ratio (SNR) to a cluster of eavesdroppers, the destination that has the maximum SNR from the chosen relay is selected. In order to accurately assess the secrecy performance, the exact and asymptotic expressions are obtained in closed-form for several security metrics including the secrecy outage probability, the probability of non-zero secrecy rate, and the ergodic secrecy rate in frequency selective fading. Based on the asymptotic analysis, key design parameters such as secrecy diversity gain, secrecy array gain, secrecy multiplexing gain, and power cost are characterized, from which new insights are drawn. Moreover, it is concluded that secrecy performance limits occur when the average received power at the eavesdropper is proportional to the counterpart at the destination. Specifically, for the secrecy outage probability, it is confirmed that the secrecy diversity gain collapses to zero with outage floor, whereas for the ergodic secrecy rate, it is confirmed confirm that its slope collapses to zero with capacity ceiling.

High-Efficiency Harmonic-Peaking Class-EF Power Amplifiers with Enhanced Maximum Operating Frequency

The recently introduced Class-EF power amplifier (PA) has a peak switch voltage lower than that of the Class-E PA. However, the value of the transistor output capacitance at high frequencies is typically larger than the required Class-EF optimum shunt capacitance. Consequently, soft-switching operation that minimizes power dissipation during off-to-on transition cannot be achieved at high frequencies. Two new Class-EF PA variants with transmission-line load networks, namely, third-harmonic-peaking (THP) and fifth-harmonic-peaking (FHP) Class-EF PAs are proposed in this paper. These permit operation at higher frequencies at no expense to other PA figures of merit. Analytical expressions are derived in order to obtain circuit component values, which satisfy the required Class-EF impedances at fundamental frequency, all even harmonics, and the first few odd harmonics as well as simultaneously providing impedance matching to a 50- Ω load. Furthermore, a novel open-circuit and shorted stub arrangement, which has substantial practical benefits, is proposed to replace the normal quarter-wave line connected at the transistor's drain. Using GaN HEMTs, two PA prototypes were built. Measured peak drain efficiency of 91% and output power of 39.5 dBm were obtained at 2.22 GHz for the THP Class-EF PA. The FHP Class-EF PA delivered output power of 41.9 dBm with 85% drain efficiency at 1.52 GHz.

Active singly and dual polarised interwoven spiral frequency selective surfaces

Reconfigurable bi-state interwoven spiral FSSs are explored in this work. Their switching capability is realized by pin diodes that enable the change of the electromagnetic response between transparent and reflecting modes at the specified frequencies in both singly and dual polarised unit cell configurations. The proposed topologies are single layer FSS with their elements acting also as dc current carrying conductors supplying the bias signal for switching pin diodes between the on and off states, thus avoiding the need of external bias lines that can cause parasitic resonances and affect the response at oblique incidence. The presented simulation results show that such active FSSs have potentially good isolation between the transmission and reflection states, while retaining the substantially subwavelength response of the unit cell with large fractional bandwidths (FBWs) inherent to the original passive FSSs.

Minor allele frequency of myeloproliferative neoplasm mutations in the Irish blood donor population

Myeloproliferative neoplasms (MPNs) are rare diseases that include classic entities; polycythaemia vera, essential thrombocythaemia and primary myelofibrosis. In this short report, minor allele frequencies of common MPN mutations are compared between the Irish blood donor population and other populations of European descent using data from the Haplotype Map project. The Affymetrix array 6.0 platform was utilised identifying nine single nucleotide polymorphisms (SNPs) and six proxy SNPs. The variability of allele frequencies for MPN mutations could account for the different incidence rates seen between populations of European ancestry, giving a better understanding of the genetic predisposition to MPNs. 

Full-Duplex Spectrum Sharing in Cooperative Single Carrier Systems

In this paper, we propose cyclic prefix single carrier (CP-SC) full-duplex transmission in cooperative spectrum sharing to achieve multipath diversity gain and full-duplex spectral efficiency. Integrating full-duplex transmission into cooperative spectrum sharing systems results in two intrinsic problems: 1) the peak interference power constraint at the PUs are concurrently inflicted on the transmit power at the secondary source (SS) and the secondary relays (SRs); and 2) the residual loop interference occurs between the transmit and the receive antennas at the secondary relays. Thus, examining the effects of residual loop interference under peak interference power constraint at the primary users and maximum transmit power constraints at the SS and the SRs is a particularly challenging problem in frequency selective fading channels. To do so, we derive and quantitatively evaluate the exact and the asymptotic outage probability for several relay selection policies in frequency selective fading channels. Our results manifest that a zero diversity gain is obtained with full-duplex.

Towards generalized Doherty power amplifier design for multiband operation

This paper presents a new variant of broadband Doherty power amplifier that employs a novel output combiner. A new parameter ∝ is introduced to permit a generalized analysis of the recently reported Parallel Doherty power amplifier (PDPA),and hence offer design flexibility. The circuit prototype of the new DPA fabricated using GaN devices exhibits maximum drain efficiency of 85% at 43-dBm peak power and 63% at 6-dB backoff power (BOP). Measured drain efficiency of >60% at peak power across 500-MHz frequency range and >50% at 6-dB BOP across 480-MHz frequency range were achieved, confirming the  theoretical wideband characteristics of the new DPA.

Equivalent Circuit Model of Twisted Split Ring Frequency Selective Surfaces

This paper proposes a wideband equivalent circuit model for a twisted split ring frequency selective surface (FSS). Such surfaces can be used for modelling and design of polarisation sensitive surfaces such as circularly polarized selective surfaces as well as structures with asymmetric transmission. The proposed model is based extraction of equivalent circuit parameters from a single split ring (SRR) FSS and magnetic coupling from periodic eigenmode analysis of the coupled SRR. The resulting equivalent circuit model demonstrates excellent agreement with full-wave simulations.

Channel and frequency offset estimation schemes for multicarrier systems

O presente trabalho aborda o problema da estimação de canal e da estimação de desvio de frequência em sistemas OFDM com múltiplas configurações de antenas no transmissor e no receptor. Nesta tese é apresentado o estudo teórico sobre o impacto da densidade de pilotos no desempenho da estimação de canal em sistemas OFDM e são propostos diversos algoritmos para estimação de canal e estimação de desvio de frequência em sistemas OFDM com antenas únicas no transmissor e receptor, com diversidade de transmissão e MIMO. O estudo teórico culmina com a formulação analítica do erro quadrático médio de um estimador de canal genérico num sistema OFDM que utilize pilotos dedicados, distribuidos no quadro transmitido em padrões bi-dimensionais. A formulação genérica é concretizada para o estimador bi-dimensional LS-DFT, permitindo aferir da exactidão da formulação analítica quando comparada com os valores obtidos por simulação do sistema abordado. Os algoritmos de estimação investigados tiram partido da presença de pilotos dedicados presentes nos quadros transmitidos para estimar com precisão os parâmetros pretendidos. Pela sua baixa complexidade, estes algoritmos revelam-se especialmente adequados para implementação em terminais móveis com capacidade computacional e consumo limitados. O desempenho dos algoritmos propostos foi avaliado por meio de simulação do sistema utilizado, recorrendo a modelos aceites de caracterização do canal móvel multipercurso. A comparação do seu desempenho com algoritmos de referência permitir aferir da sua validade. ABSTRACT: The present work focus on the problem of channel estimation and frequency offset estimation in OFDM systems, with different antenna configurations at both the transmitter and the receiver. This thesis presents the theoretical study of the impact of the pilot density in the performance of the channel estimation in OFDM systems and proposes several channel and frequency offset algorithms for OFDM systems with single antenna at both transmitter and receiver, with transmitter diversity and MIMO. The theoretical study results in the analytical formulation of the mean square error of a generic channel estimator for an OFDM system using dedicated pilots, distributed in the transmitted frame in two-dimensional patterns. The generic formulation is implemented for the two-dimensional LS-DFT estimator to verify the accuracy of the analytical formulation when compared with the values obtained by simulation of the discussed system. The investigated estimation algorithms take advantage of the presence of dedicated pilots present in the transmitted frames to accurately estimate the required parameters. Due to its low complexity, these algorithms are especially suited for implementation in mobile terminals with limited processing power and consumption. The performance of the proposed algorithms was evaluated by simulation of the used system, using accepted multipath mobile channel models. The comparison of its performance with the one of reference algorithms measures its validity.

Projecto de receptores integrados de banda larga

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

All-optical processing systems based on semiconductor optical amplifiers

Nesta tese investigam-se e desenvolvem-se dispositivos para processamento integralmente óptico em redes com multiplexagem densa por divisão no comprimento de onda (DWDM). O principal objectivo das redes DWDM é transportar e distribuir um espectro óptico densamente multiplexado com sinais de débito binário ultra elevado, ao longo de centenas ou milhares de quilómetros de fibra óptica. Estes sinais devem ser transportados e encaminhados no domínio óptico de forma transparente, sem conversões óptico-eléctrico-ópticas (OEO), evitando as suas limitações e custos. A tecnologia baseada em amplificadores ópticos de semicondutor (SOA) é promissora graças aos seus efeitos não-lineares ultra-rápidos e eficientes, ao potencial para integração, reduzido consumo de potência e custos. Conversores de comprimento de onda são o elemento óptico básico para aumentar a capacidade da rede e evitar o bloqueio de comprimentos de onda. Neste trabalho, são estudados e analisados experimentalmente métodos para aumentar a largura de banda operacional de conversores de modulação cruzada de ganho (XGM), a fim de permitir a operação do SOA para além das suas limitações físicas. Conversão de um comprimento de onda, e conversão simultânea de múltiplos comprimentos de onda são testadas, usando interferómetros de Mach-Zehnder com SOA. As redes DWDM de alto débito binário requerem formatos de modulação optimizados, com elevada tolerância aos efeitos nefastos da fibra, e reduzida ocupação espectral. Para esse efeito, é vital desenvolver conversores integramente ópticos de formatos de modulação, a fim de permitir a interligação entre as redes já instaladas, que operam com modulação de intensidade, e as redes modernas, que utilizam formatos de modulação avançados. No âmbito deste trabalho é proposto um conversor integralmente óptico de formato entre modulação óptica de banda lateral dupla e modulação óptica de banda lateral residual; este é caracterizado através de simulação e experimentalmente. Adicionalmente, é proposto um conversor para formato de portadora suprimida, através de XGM e modulação cruzada de fase. A interligação entre as redes de transporte com débito binário ultra-elevado e as redes de acesso com débito binário reduzido requer conversão óptica de formato de impulso entre retorno-a-zero (RZ) e não-RZ. São aqui propostas e investigadas duas estruturas distintas: uma baseada em filtragem desalinhada do sinal convertido por XGM; uma segunda utiliza as dinâmicas do laser interno de um SOA com ganho limitado (GC-SOA). Regeneração integralmente óptica é essencial para reduzir os custos das redes. Dois esquemas distintos são utilizados para regeneração: uma estrutura baseada em MZI-SOA, e um método no qual o laser interno de um GC-SOA é modulado com o sinal distorcido a regenerar. A maioria dos esquemas referidos é testada experimentalmente a 40 Gb/s, com potencial para aplicação a débitos binários superiores, demonstrado que os SOA são uma tecnologia basilar para as redes ópticas do futuro.