Identification and output tracking control of Hammerstein systems through wireless networks

his paper investigates the identification and output tracking control of a class of Hammerstein systems through a wireless network within an integrated framework and the statistic characteristics of the wireless network are modelled using the inverse Gaussian cumulative distribution function. In the proposed framework, a new networked identification algorithm is proposed to compensate for the influence of the wireless network delays so as to acquire the more precise Hammerstein system model. Then, the identified model together with the model-based approach is used to design an output tracking controller. Mean square stability conditions are given using linear matrix inequalities (LMIs) and the optimal controller gains can be obtained by solving the corresponding optimization problem expressed using LMIs. Illustrative numerical simulation examples are given to demonstrate the effectiveness of our proposed method.

Impact of Residual Transmit RF Impairments on Training-Based MIMO Systems

Radio-frequency (RF) impairments, which intimately exist in wireless communication systems, can severely limit the performance of multiple-input-multiple-output (MIMO) systems. Although we can resort to compensation schemes to mitigate some of these impairments, a certain amount of residual impairments always persists. In this paper, we consider a training-based point-to-point MIMO system with residual transmit RF impairments (RTRI) using spatial multiplexing transmission. Specifically, we derive a new linear channel estimator for the proposed model, and show that RTRI create an estimation error floor in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime. Moreover, we derive closed-form expressions for the signal-to-noise-plus-interference ratio (SINR) distributions, along with analytical expressions for the ergodic achievable rates of zero-forcing, maximum ratio combining, and minimum mean-squared error receivers, respectively. In addition, we optimize the ergodic achievable rates with respect to the training sequence length and demonstrate that finite dimensional systems with RTRI generally require more training at high SNRs than those with ideal hardware. Finally, we extend our analysis to large-scale MIMO configurations, and derive deterministic equivalents of the ergodic achievable rates. It is shown that, by deploying large receive antenna arrays, the extra training requirements due to RTRI can be eliminated. In fact, with a sufficiently large number of receive antennas, systems with RTRI may even need less training than systems with ideal hardware.

Can Leakage Models Be More Efficient? Non-Linear Models in Side Channel Attacks

In the last decade, many side channel attacks have been published in academic literature detailing how to efficiently extract secret keys by mounting various attacks, such as differential or correlation power analysis, on cryptosystems. Among the most efficient and widely utilized leakage models involved in these attacks are the Hamming weight and distance models which give a simple, yet effective, approximation of the power consumption for many real-world systems. These leakage models reflect the number of bits switching, which is assumed proportional to the power consumption. However, the actual power consumption changing in the circuits is unlikely to be directly of that form. We, therefore, propose a non-linear leakage model by mapping the existing leakage model via a transform function, by which the changing power consumption is depicted more precisely, hence the attack efficiency can be improved considerably. This has the advantage of utilising a non-linear power model while retaining the simplicity of the Hamming weight or distance models. A modified attack architecture is then suggested to yield the correct key efficiently in practice. Finally, an empirical comparison of the attack results is presented.

Generation of cluster states in optomechanical quantum systems

We consider an optomechanical quantum system composed of a single cavity mode interacting with N mechanical resonators. We propose a scheme for generating continuous-variable graph states of arbitrary size and shape, including the so-called cluster states for universal quantum computation. The main feature of this scheme is that, differently from previous approaches, the graph states are hosted in the mechanical degrees of freedom rather than in the radiative ones. Specifically, via a 2N-tone drive, we engineer a linear Hamiltonian which is instrumental to dissipatively drive the system to the desired target state. The robustness of this scheme is assessed against finite interaction times and mechanical noise, confirming it as a valuable approach towards quantum state engineering for continuous-variable computation in a solid-state platform.

Weakly nonlinear ion-acoustic excitations in a relativistic model for dense quantum plasma

The dynamics of linear and nonlinear ionic-scale electrostatic excitations propagating in a magnetized relativistic quantum plasma is studied. A quantum-hydrodynamic model is adopted and degenerate statistics for the electrons is taken into account. The dispersion properties of linear ion acoustic waves are examined in detail. A modified characteristic charge screening length and "sound speed" are introduced, for relativistic quantum plasmas. By employing the reductive perturbation technique, a Zakharov-Kuznetzov-type equation is derived. Using the small-k expansion method, the stability profile of weakly nonlinear slightly supersonic electrostatic pulses is also discussed. The effect of electron degeneracy on the basic characteristics of electrostatic excitations is investigated. The entire analysis is valid in a three-dimensional as well as in two-dimensional geometry. A brief discussion of possible applications in laboratory and space plasmas is included.

Control of uncertain compartmental systems

Os sistemas compartimentais são frequentemente usados na modelação de diversos processos em várias áreas, tais como a biomedicina, ecologia, farmacocinética, entre outras. Na maioria das aplicações práticas, nomeadamente, aquelas que dizem respeito à administração de drogas a pacientes sujeitos a cirurgia, por exemplo, a presença de incertezas nos parâmetros do sistema ou no estado do sistema é muito comum. Ao longo dos últimos anos, a análise de sistemas compartimentais tem sido bastante desenvolvida na literatura. No entanto, a análise da sensibilidade da estabilidade destes sistemas na presença de incertezas tem recebido muito menos atenção. Nesta tese, consideramos uma lei de controlo por realimentação do estado com restrições de positividade e analisamos a sua robustez quando aplicada a sistemas compartimentais lineares e invariantes no tempo com incertezas nos parâmetros. Além disso, para sistemas lineares e invariantes no tempo com estado inicial desconhecido, combinamos esta lei de controlo com um observador do estado e a robustez da lei de controlo resultante também é analisada. O controlo do bloqueio neuromuscular por meio da infusão contínua de um relaxante muscular pode ser modelado como um sistema compartimental de três compartimentos e tem sido objecto de estudo por diversos grupos de investigação. Nesta tese, os nossos resultados são aplicados a este problema de controlo e são fornecidas estratégias para melhorar os resultados obtidos.

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.

Interference cancellation for distributed wireless systems

O tema principal desta tese é o problema de cancelamento de interferência para sistemas multi-utilizador, com antenas distribuídas. Como tal, ao iniciar, uma visão geral das principais propriedades de um sistema de antenas distribuídas é apresentada. Esta descrição inclui o estudo analítico do impacto da ligação, dos utilizadores do sistema, a mais antenas distribuídas. Durante essa análise é demonstrado que a propriedade mais importante do sistema para obtenção do ganho máximo, através da ligação de mais antenas de transmissão, é a simetria espacial e que os utilizadores nas fronteiras das células são os mais bene ciados. Tais resultados são comprovados através de simulação. O problema de cancelamento de interferência multi-utilizador é considerado tanto para o caso unidimensional (i.e. sem codi cação) como para o multidimensional (i.e. com codi cação). Para o caso unidimensional um algoritmo de pré-codi cação não-linear é proposto e avaliado, tendo como objectivo a minimização da taxa de erro de bit. Tanto o caso de portadora única como o de multipla-portadora são abordados, bem como o cenário de antenas colocadas e distribuidas. É demonstrado que o esquema proposto pode ser visto como uma extensão do bem conhecido esquema de zeros forçados, cuja desempenho é provado ser um limite inferior para o esquema generalizado. O algoritmo é avaliado, para diferentes cenários, através de simulação, a qual indica desempenho perto do óptimo, com baixa complexidade. Para o caso multi-dimensional um esquema para efectuar "dirty paper coding" binário, tendo como base códigos de dupla camada é proposto. No desenvolvimento deste esquema, a compressão com perdas de informação, é considerada como um subproblema. Resultados de simulação indicam transmissão dedigna proxima do limite de Shannon.

Service building in dense service provider environments

Genericamente falando, os serviços sobre redes têm vindo a afastar-se de um modelo monolítico para um modelo de criação de serviços que permite ou - como é mais frequente - requer a cooperação entre vários Provedores de Serviço. A Internet, que tem vindo a forçar a convergência de serviços, mostra que começa a ser virtualmente impossível a um único operador fornecer qualquer serviço com um mínimo de interesse para os utilizadores. Esta tese foca-se em serviços de transporte (e.g., connectividade) e discute o impacto das fronteira que as ofertas de serviços têm com o negócio. A questão central é a seguinte: o que muda quando o mesmo serviço é oferecido não apenas por um mas por mais do que um Provedor de Serviço. Por um lado, esta tese cobre, em abs tracto, a noção de Provedor se Serviço, como evoluiu e em que sentido está a evoluir, particularmente num contexto de muitos Provedores de Serviço. Os primeiros capítulos desta tese analizam e propõem arquitecturas para cooperação inter-Provedor-de-Serviço e para serviços comuns tais como multimédia. Por outro lado, oferece-se soluções práticas, com as respectivas avaliações, para alguns problemas, que ainda hoje se mantêm em aberto, tais como encaminhamento inter-domínio, Qualidade-de-Serviço, Mobilidade e distribuição de conteúdos, tais como as contribuições relacionadas com o impacto da noção administrativa de Sistemas Autónomos sobre encaminhamento inter-domínio, uma arquitectura de transporte inter-domínio e o problema que levanta da ineficiência que decorre do planeamento não- cooperativo de Redes de Entrega de Conteúdos.

Diffusion coefficients in dense and supercritical fluids

Os coeficientes de difusão (D 12) são propriedades fundamentais na investigação e na indústria, mas a falta de dados experimentais e a inexistência de equações que os estimem com precisão e confiança em fases comprimidas ou condensadas constituem limitações importantes. Os objetivos principais deste trabalho compreendem: i) a compilação de uma grande base de dados para valores de D 12 de sistemas gasosos, líquidos e supercríticos; ii) o desenvolvimento e validação de novos modelos de coeficientes de difusão a diluição infinita, aplicáveis em amplas gamas de temperatura e densidade, para sistemas contendo componentes muito distintos em termos de polaridade, tamanho e simetria; iii) a montagem e teste de uma instalação experimental para medir coeficientes de difusão em líquidos e fluidos supercríticos. Relativamente à modelação, uma nova expressão para coeficientes de difusão a diluição infinita de esferas rígidas foi desenvolvida e validada usando dados de dinâmica molecular (desvio relativo absoluto médio, AARD = 4.44%) Foram também estudados os coeficientes de difusão binários de sistemas reais. Para tal, foi compilada uma extensa base de dados de difusividades de sistemas reais em gases e solventes densos (622 sistemas binários num total de 9407 pontos experimentais e 358 moléculas) e a mesma foi usada na validação dos novos modelos desenvolvidos nesta tese. Um conjunto de novos modelos foi proposto para o cálculo de coeficientes de difusão a diluição infinita usando diferentes abordagens: i) dois modelos de base molecular com um parâmetro específico para cada sistema, aplicáveis em sistemas gasosos, líquidos e supercríticos, em que natureza do solvente se encontra limitada a apolar ou fracamente polar (AARDs globais na gama 4.26-4.40%); ii) dois modelos de base molecular biparamétricos, aplicáveis em todos os estados físicos, para qualquer tipo de soluto diluído em qualquer solvente (apolar, fracamente polar e polar). Ambos os modelos dão origem a erros globais entre 2.74% e 3.65%; iii) uma correlação com um parâmetro, específica para coeficientes de difusão em dióxido de carbono supercrítico (SC-CO2) e água líquida (AARD = 3.56%); iv) nove correlações empíricas e semi-empíricas que envolvem dois parâmetros, dependentes apenas da temperatura e/ou densidade do solvente e/ou viscosidade do solvente. Estes últimos modelos são muito simples e exibem excelentes resultados (AARDs entre 2.78% e 4.44%) em sistemas líquidos e supercríticos; e v) duas equações preditivas para difusividades de solutos em SC-CO2, em que os erros globais de ambas são inferiores a 6.80%. No global, deve realçar-se o facto de os novos modelos abrangerem a grande variedade de sistemas e moléculas geralmente encontrados. Os resultados obtidos são consistentemente melhores do que os obtidos com os modelos e abordagens encontrados na literatura. No caso das correlações com um ou dois parâmetros, mostrou-se que estes mesmos parâmetros podem ser ajustados usando um conjunto muito pequeno de dados, e posteriormente serem utilizados na previsão de valores de D 12 longe do conjunto original de pontos. Uma nova instalação experimental para medir coeficientes de difusão binários por técnicas cromatográficas foi montada e testada. O equipamento, o procedimento experimental e os cálculos analíticos necessários à obtenção dos valores de D 12 pelo método de abertura do pico cromatográfico, foram avaliados através da medição de difusividades de tolueno e acetona em SC-CO2. Seguidamente, foram medidos coeficientes de difusão de eucaliptol em SC-CO2 nas gamas de 202 – 252 bar e 313.15 – 333.15 K. Os resultados experimentais foram analisados através de correlações e modelos preditivos para D12.

Optimal alarms systems and its application to financial time series

This thesis focuses on the application of optimal alarm systems to non linear time series models. The most common classes of models in the analysis of real-valued and integer-valued time series are described. The construction of optimal alarm systems is covered and its applications explored. Considering models with conditional heteroscedasticity, particular attention is given to the Fractionally Integrated Asymmetric Power ARCH, FIAPARCH(p; d; q) model and an optimal alarm system is implemented, following both classical and Bayesian methodologies. Taking into consideration the particular characteristics of the APARCH(p; q) representation for financial time series, the introduction of a possible counterpart for modelling time series of counts is proposed: the INteger-valued Asymmetric Power ARCH, INAPARCH(p; q). The probabilistic properties of the INAPARCH(1; 1) model are comprehensively studied, the conditional maximum likelihood (ML) estimation method is applied and the asymptotic properties of the conditional ML estimator are obtained. The final part of the work consists on the implementation of an optimal alarm system to the INAPARCH(1; 1) model. An application is presented to real data series.

Completely supervised training algorithms for B-spline neural networks and neuro-fuzzy systems

Complete supervised training algorithms for B-spline neural networks and fuzzy rule-based systems are discussed. By interducing the relationship between B-spline neural networks and certain types of fuzzy models, training algorithms developed initially for neural networks can be adapted by fuzzy systems.

A scalable and open source linear positioning system controller

This paper is on the implementation of a dual axis positioning system controller. The system was designed to be used for space-dependent ultrasound signal acquisition problems, such as pressure field mapping. The work developed can be grouped in two main subjects: hardware and software. Each axis includes one stepper motor connected to a driver circuit, which is then connected to a processing unit. The graphical user interface is simple and clear for the user. The system resolution was computed as 127 mu m with an accuracy of 2.44 mu m. Although the target application is ultrasound signal acquisition, the controller can be applied to other devices that has up to four stepper motors. The application was developed as an open source software, thus it can be used or changed to fit different purposes.

Nonlinear distortion evaluation of reconfigurable RF circuits in wireless communication systems

A compact highly linear microstrip dual - mode optically switchable filter and a reconfigurable power amplifier are presented. The key characteristics of the dual - mode switchable filter are investigated and described. A second order filter design procedure is outlined to facilitate the realisation of Butterworth and Chebyshev functions. The proposed filter was built and tested with an optical switch, which comprised of a silicon dice acti vated using near infrared light. The measured and simulated results are in good agreement. The measured insertion loss in the ON state was 3.0 dB the isolation in the OFF state was 45 dB at the centre frequency. An evaluation of filter distortion is presen ted for digitally modulated M - QAM and M - QAM OFDM singals.

Compact tunable bandstop filters using defected microstrip structure for multi-standard wireless systems

A novel compact tunable bandstop filter using Defected Microstrip Structure (DMS) is presented in this paper. The structure utilizes a modified T shaped DMS which helps in miniaturization of the filter. To verify the concept, one such filter was simulated, designed, fabricated and tested. Measurements on a fabricated tunable filter confirm the accuracy of the design procedure. The tuning range of 20% is achieved, ranging from 2.26 GHz to 2.747 GHz. Tuning is achieved by using NXP BB179 varactor diode. A nonlinear distortion evaluation in a tunable filter was experimentally verified. Experimental verification shows the filter is highly linear.