Design and performance of wireless cooperative relaying

In recent years, a new paradigm for communication called cooperative communications has been proposed for which initial information theoretic studies have shown the potential for improvements in capacity over traditional multi-hop wireless networks. Extensive research has been done to mitigate the impact of fading in wireless networks, being mostly focused on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems. Recently, cooperative relaying techniques have been investigated to increase the performance of wireless systems by using diversity created by different single antenna devices, aiming to reach the same level of performance of MIMO systems with low cost devices. Cooperative communication is a promising method to achieve high spectrum efficiency and improve transmission capacity for wireless networks. Cooperative communications is the general idea of pooling the resources of distributed nodes to improve the overall performance of a wireless network. In cooperative networks the nodes cooperate to help each other. A cooperative node offering help is acting like a middle man or proxy and can convey messages from source to destination. Cooperative communication involves exploiting the broadcast nature of the wireless medium to form virtual antenna arrays out of independent singleantenna network nodes for transmission. This research aims at contributing to the field of cooperative wireless networks. The focus of this research is on the relay-based Medium Access Control (MAC) protocol. Specifically, I provide a framework for cooperative relaying called RelaySpot which comprises on opportunistic relay selection, cooperative relay scheduling and relay switching. RelaySpot-based solutions are expected to minimize signaling exchange, remove estimation of channel conditions, and improve the utilization of spatial diversity, minimizing outage and increasing reliability.

Reconfigurable transmitters for software-defined radios

Flexible radio transmitters based on the Software-Defined Radio (SDR) concept are gaining an increased research importance due to the unparalleled proliferation of new wireless standards operating at different frequencies, using dissimilar coding and modulation schemes, and targeted for different ends. In this new wireless communications paradigm, the physical layer of the radio transmitter must be able to support the simultaneous transmission of multi-band, multi-rate, multi-standard signals, which in practice is very hard or very inefficient to implement using conventional approaches. Nevertheless, the last developments in this field include novel all-digital transmitter architectures where the radio datapath is digital from the baseband up to the RF stage. Such concept has inherent high flexibility and poses an important step towards the development of SDR-based transmitters. However, the truth is that implementing such radio for a real world communications scenario is a challenging task, where a few key limitations are still preventing a wider adoption of this concept. This thesis aims exactly to address some of these limitations by proposing and implementing innovative all-digital transmitter architectures with inherent higher flexibility and integration, and where improving important figures of merit, such as coding efficiency, signal-to-noise ratio, usable bandwidth and in-band and out-of-band noise will also be addressed. In the first part of this thesis, the concept of transmitting RF data using an entirely digital approach based on pulsed modulation is introduced. A comparison between several implementation technologies is also presented, allowing to state that FPGAs provide an interesting compromise between performance, power efficiency and flexibility, thus making them an interesting choice as an enabling technology for pulse-based all-digital transmitters. Following this discussion, the fundamental concepts inherent to pulsed modulators, its key advantages, main limitations and typical enhancements suitable for all-digital transmitters are also presented. The recent advances regarding the two most common classes of pulse modulated transmitters, namely the RF and the baseband-level are introduced, along with several examples of state-of-the-art architectures found on the literature. The core of this dissertation containing the main developments achieved during this PhD work is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art presented here consists in the development of a novel ΣΔ-based all-digital transmitter architecture capable of multiband and multi-standard data transmission in a very flexible and integrated way, where the pulsed RF output operating in the microwave frequency range is generated inside a single FPGA device. A fundamental contribution regarding the simultaneous transmission of multiple RF signals is then introduced by presenting and describing novel all-digital transmitter architectures that take advantage of multi-gigabit data serializers available on current high-end FPGAs in order to transmit in a time-interleaved approach multiple independent RF carriers. Further improvements in this design approach allowed to provide a two-stage up-conversion transmitter architecture enabling the fine frequency tuning of concurrent multichannel multi-standard signals. Finally, further improvements regarding two key limitations inherent to current all-digital transmitter approaches are then addressed, namely the poor coding efficiency and the combined high quality factor and tunability requirements of the RF output filter. The followed design approach based on poliphase multipath circuits allowed to create a new FPGA-embedded agile transmitter architecture that significantly improves important figures of merit, such as coding efficiency and SNR, while maintains the high flexibility that is required for supporting multichannel multimode data transmission.

Nonlinear behavioral modeling of mixed signal RF-digital I/O devices

Esta tese investiga a caracterização (e modelação) de dispositivos que realizam o interface entre os domínios digital e analógico, tal como os buffers de saída dos circuitos integrados (CI). Os terminais sem fios da atualidade estão a ser desenvolvidos tendo em vista o conceito de rádio-definido-por-software introduzido por Mitola. Idealmente esta arquitetura tira partido de poderosos processadores e estende a operação dos blocos digitais o mais próximo possível da antena. Neste sentido, não é de estranhar que haja uma crescente preocupação, no seio da comunidade científica, relativamente à caracterização dos blocos que fazem o interface entre os domínios analógico e digital, sendo os conversores digital-analógico e analógico-digital dois bons exemplos destes circuitos. Dentro dos circuitos digitais de alta velocidade, tais como as memórias Flash, um papel semelhante é desempenhado pelos buffers de saída. Estes realizam o interface entre o domínio digital (núcleo lógico) e o domínio analógico (encapsulamento dos CI e parasitas associados às linhas de transmissão), determinando a integridade do sinal transmitido. Por forma a acelerar a análise de integridade do sinal, aquando do projeto de um CI, é fundamental ter modelos que são simultaneamente eficientes (em termos computacionais) e precisos. Tipicamente a extração/validação dos modelos para buffers de saída é feita usando dados obtidos da simulação de um modelo detalhado (ao nível do transístor) ou a partir de resultados experimentais. A última abordagem não envolve problemas de propriedade intelectual; contudo é raramente mencionada na literatura referente à caracterização de buffers de saída. Neste sentido, esta tese de Doutoramento foca-se no desenvolvimento de uma nova configuração de medição para a caracterização e modelação de buffers de saída de alta velocidade, com a natural extensão aos dispositivos amplificadores comutados RF-CMOS. Tendo por base um procedimento experimental bem definido, um modelo estado-da-arte é extraído e validado. A configuração de medição desenvolvida aborda não apenas a integridade dos sinais de saída mas também do barramento de alimentação. Por forma a determinar a sensibilidade das quantias estimadas (tensão e corrente) aos erros presentes nas diversas variáveis associadas ao procedimento experimental, uma análise de incerteza é também apresentada.

Behavioral modeling optimization and enhancement for high-speed analog mixed-signal I/O interfaces

A integridade do sinal em sistemas digitais interligados de alta velocidade, e avaliada através da simulação de modelos físicos (de nível de transístor) é custosa de ponto vista computacional (por exemplo, em tempo de execução de CPU e armazenamento de memória), e exige a disponibilização de detalhes físicos da estrutura interna do dispositivo. Esse cenário aumenta o interesse pela alternativa de modelação comportamental que descreve as características de operação do equipamento a partir da observação dos sinais eléctrico de entrada/saída (E/S). Os interfaces de E/S em chips de memória, que mais contribuem em carga computacional, desempenham funções complexas e incluem, por isso, um elevado número de pinos. Particularmente, os buffers de saída são obrigados a distorcer os sinais devido à sua dinâmica e não linearidade. Portanto, constituem o ponto crítico nos de circuitos integrados (CI) para a garantia da transmissão confiável em comunicações digitais de alta velocidade. Neste trabalho de doutoramento, os efeitos dinâmicos não-lineares anteriormente negligenciados do buffer de saída são estudados e modulados de forma eficiente para reduzir a complexidade da modelação do tipo caixa-negra paramétrica, melhorando assim o modelo standard IBIS. Isto é conseguido seguindo a abordagem semi-física que combina as características de formulação do modelo caixa-negra, a análise dos sinais eléctricos observados na E/S e propriedades na estrutura física do buffer em condições de operação práticas. Esta abordagem leva a um processo de construção do modelo comportamental fisicamente inspirado que supera os problemas das abordagens anteriores, optimizando os recursos utilizados em diferentes etapas de geração do modelo (ou seja, caracterização, formulação, extracção e implementação) para simular o comportamento dinâmico não-linear do buffer. Em consequência, contributo mais significativo desta tese é o desenvolvimento de um novo modelo comportamental analógico de duas portas adequado à simulação em overclocking que reveste de um particular interesse nas mais recentes usos de interfaces de E/S para memória de elevadas taxas de transmissão. A eficácia e a precisão dos modelos comportamentais desenvolvidos e implementados são qualitativa e quantitativamente avaliados comparando os resultados numéricos de extracção das suas funções e de simulação transitória com o correspondente modelo de referência do estado-da-arte, IBIS.

Nanofluids development and characterization for heat exchanging intensification

A desmaterialização da economia é um dos caminhos para a promoção do desenvolvimento sustentável na medida em que elimina ou reduz a utilização de recursos naturais, fazendo mais com menos. A intensificação dos processos tecnológicos é uma forma de desmaterializar a economia. Sistemas mais compactos e mais eficientes consomem menos recursos. No caso concreto dos sistemas envolvendo processo de troca de calor, a intensificação resulta na redução da área de permuta e da quantidade de fluido de trabalho, o que para além de outra vantagem que possa apresentar decorrentes da miniaturização, é um contributo inegável para a sustentabilidade da sociedade através do desenvolvimento científico e tecnológico. O desenvolvimento de nanofluidos surge no sentido de dar resposta a estes tipo de desafios da sociedade moderna, contribuindo para a inovação de produtos e sistemas, dando resposta a problemas colocados ao nível das ciências de base. A literatura é unânime na identificação do seu potencial como fluidos de permuta, dada a sua elevada condutividade, no entanto a falta de rigor subjacente às técnicas de preparação dos mesmos, assim como de um conhecimento sistemático das suas propriedades físicas suportado por modelos físico-matemáticos devidamente validados levam a que a operacionalização industrial esteja longe de ser concretizável. Neste trabalho, estudou-se de forma sistemática a condutividade térmica de nanofluidos de base aquosa aditivados com nanotubos de carbono, tendo em vista a identificação dos mecanismos físicos responsáveis pela condução de calor no fluido e o desenvolvimento de um modelo geral que permita com segurança determinar esta propriedade com o rigor requerido ao nível da engenharia. Para o efeito apresentam-se métodos para uma preparação rigorosa e reprodutível deste tipo de nanofluido assim como das metodologias consideradas mais importantes para a aferição da sua estabilidade, assegurando deste modo o rigor da técnica da sua produção. A estabilidade coloidal é estabelecida de forma rigorosa tendo em conta parâmetros quantificáveis como a ausência de aglomeração, a separação de fases e a deterioração da morfologia das nanopartículas. Uma vez assegurado o método de preparação dos nanofluídos, realizou-se uma análise paramétrica conducente a uma base de dados obtidos experimentalmente que inclui a visão central e globalizante da influência relativa dos diferentes fatores de controlo com impacto nas propriedades termofísicas. De entre as propriedades termofísicas, este estudo deu particular ênfase à condutividade térmica, sendo os fatores de controlo selecionados os seguintes: fluido base, temperatura, tamanho da partícula e concentração de nanopartículas. Experimentalmente, verificou-se que de entre os fatores de controlo estudados, os que maior influência detêm sobre a condutividade térmica do nanofluido, são o tamanho e concentração das nanopartículas. Com a segurança conferida por uma base de dados sólida e com o conhecimento acerca da contribuição relativa de cada fator de controlo no processo de transferência de calor, desenvolveu-se e validou-se um modelo físico-matemático com um caracter generalista, que permitirá determinar com segurança a condutividade térmica de nanofluidos.

Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.

Assessment of higher plant species suitability for ecological restoration following major disturbance

O presente trabalho é constituído por uma revisão bibliográfica e uma série de estudos científicos experimentais visando a melhoria do conhecimento da ecologia de germinação e resposta ao estresse hídrico em arbustos autóctones. Estes estudos pretendem contribuir para o conhecimento da ecologia de espécies autóctones na fase de germinação e estabelecimento inicial das plântulas através da comparação da resposta de sementes de diferentes proveniências. Os primeiros três capítulos focam-se no estudo dos efeitos de pré-tratamentos na germinação de espécies arbustivas com diferentes estratégias de regeneração e dormência da semente, enquanto os dois últimos capítulos incidem sobre o efeito de diferentes condições de disponibilidade de água na germinação e estabelecimento inicial de plântulas com potencial para restauro ecológico. Este estudo procura abordar aspetos importantes para o estudo e validação do uso de espécies alvo para o restauro ecológico em zonas Mediterrânicas, contribuindo deste modo para a melhoria do conhecimento da ecologia destas espécies. A germinação foi estimulada por pré-tratamentos de calor em quatro das cinco espécies cuja época de dispersão da semente na primavera-verão. As sementes provenientes do sul tenderam a germinar melhor, sendo ao mesmo tempo mais pequenas. Por outro lado, a germinação em espécies cuja dispersão da semente ocorre no outono-inverno variou de acordo com o tipo de dormência da semente. A germinação foi em geral favorecida pela estratificação a frio na espécie apresentando dormência fisiológica mas foi negativamente afetada na espécie que não apresenta dormência. Esta resposta não foi, no entanto, inequívoca pois foi dependente da proveniência estudada. O efeito da estratificação a frio teve em geral um efeito mais positivo ou menos negativo nas sementes provenientes do norte em comparação com as outras proveniências. O stress-osmótico teve um efeito negativo consistente na germinação de Pistacia lentiscus e outro fator que também afetou significativamente a germinação foi a variabilidade intra-populacional entre plantas mãe. As duas proveniências apresentaram diferentes graus de associação entre a germinação e/ou caracteres morfológicos da semente ou planta mãe. Quanto à fase de estabelecimento inicial, o baixo conteúdo em água teve um claro efeito negativo no investimento relativo em biomassa acima do solo e um efeito positivo no investimento relativo em biomassa abaixo do solo em Arbutus unedo. Esta resposta não foi inequívoca, uma vez que as proveniências diferiram em adaptações morfológicas ao baixo conteúdo em água. As plântulas da proveniência mais húmida revelaram uma taxa de crescimento relativo superior mas, ao mesmo tempo, uma fraca adaptação às condições de baixa disponibilidade de água, quando comparadas com as outras proveniências. Ao contrário, as plântulas da proveniência seca com verão mais quente apresentaram semelhantes diâmetro do colo da raiz, peso seco de folhas e performance fisiológica sob os dois regimes de irrigação. Os resultados obtidos revelam diferenças significativas na germinação e desenvolvimento inicial entre as distintas proveniências que poderão estar relacionadas com adaptações ao clima dos locais de origem. Os desenvolvimentos futuros do estudo dos mecanismos subjacentes às adaptações observadas poderiam contribuir para a melhoria das previsões de sucesso do estabelecimento inicial em diferentes populações de plantas, permitindo aumentar a confiança e efetividade de custos nas decisões relacionadas com ações de restauro ecológico em cenários de alterações climáticas.

Quantum criptography in optical fibers

As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.

Modelling the Minho river plume intrusion into the rias baixas

The Minho River, situated 30 km south of the Rias Baixas is the most important freshwater source flowing into the Western Galician Coast (NW of the Iberian Peninsula). This discharge is important to determine the hydrological patterns adjacent to its mouth, particularly close to the Galician coastal region. The buoyancy generated by the Minho plume can flood the Rias Baixas for long periods, reversing the normal estuarine density gradients. Thus, it becomes important to analyse its dynamics as well as the thermohaline patterns of the areas affected by the freshwater spreading. Thus, the main aim of this work was to study the propagation of the Minho estuarine plume to the Rias Baixas, establishing the conditions in which this plume affects the circulation and hydrographic features of these coastal systems, through the development and application of the numerical model MOHID. For this purpose, the hydrographic features of the Rias Baixas mouths were studied. It was observed that at the northern mouths, due to their shallowness, the heat fluxes between the atmosphere and ocean are the major forcing, influencing the water temperature, while at the southern mouths the influence of the upwelling events and the Minho River discharge were more frequent. The salinity increases from south to north, revealing that the observed low values may be caused by the Minho River freshwater discharge. An assessment of wind data along the Galician coast was carried out, in order to evaluate the applicability of the study to the dispersal of the Minho estuarine plume. Firstly, a comparative analysis between winds obtained from land meteorological stations and offshore QuikSCAT satellite were performed. This comparison revealed that satellite data constitute a good approach to study wind induced coastal phenomena. However, since the numerical model MOHID requires wind data with high spatial and temporal resolution close to the coast, results of the forecasted model WRF were added to the previous study. The analyses revealed that the WRF model data is a consistent tool to obtain representative wind data near the coast, showing good results when comparing with in situ wind observations from oceanographic buoys. To study the influence of the Minho buoyant discharge influence on the Rias Baixas, a set of three one-way nested models was developed and implemented, using the numerical model MOHID. The first model domain is a barotropic model and includes the whole Iberian Peninsula coast. The second and third domains are baroclinic models, where the second domain is a coarse representation of the Rias Baixas and adjacent coastal area, while the third includes the same area with a higher resolution. A bi-dimensional model was also implemented in the Minho estuary, in order to quantify the flow (and its properties) that the estuary injects into the ocean. The chosen period for the Minho estuarine plume propagation validation was the spring of 1998, since a high Minho River discharge was reported, as well as favourable wind patterns to advect the estuarine plume towards the Rias Baixas, and there was field data available to compare with the model predictions. The obtained results show that the adopted nesting methodology was successful implemented. Model predictions reproduce accurately the hydrodynamics and thermohaline patterns on the Minho estuary and Rias Baixas. The importance of the Minho river discharge and the wind forcing in the event of May 1998 was also studied. The model results showed that a continuous moderate Minho River discharge combined with southerly winds is enough to reverse the Rias Baixas circulation pattern, reducing the importance of the occurrence of specific events of high runoff values. The conditions in which the estuarine plume Minho affects circulation and hydrography of the Rias Baixas were evaluated. The numerical results revealed that the Minho estuarine plume responds rapidly to wind variations and is also influenced by the bathymetry and morphology of the coastline. Without wind forcing, the plume expands offshore, creating a bulge in front of the river mouth. When the wind blows southwards, the main feature is the offshore extension of the plume. Otherwise, northward wind spreads the river plume towards the Rias Baixas. The plume is confined close to the coast, reaching the Rias Baixas after 1.5 days. However, for Minho River discharges higher than 800 m3 s-1, the Minho estuarine plume reverses the circulation patterns in the Rias Baixas. It was also observed that the wind stress and Minho River discharge are the most important factors influencing the size and shape of the Minho estuarine plume. Under the same conditions, the water exchange between Rias Baixas was analysed following the trajectories particles released close to the Minho River mouth. Over 5 days, under Minho River discharges higher than 2100 m3 s-1 combined with southerly winds of 6 m s-1, an intense water exchange between Rias was observed. However, only 20% of the particles found in Ria de Pontevedra come directly from the Minho River. In summary, the model application developed in this study contributed to the characterization and understanding of the influence of the Minho River on the Rias Baixas circulation and hydrography, highlighting that this methodology can be replicated to other coastal systems.