Exploiting Direct Links for Physical Layer Security in Multi-User Multi-Relay Networks

We present two physical layer secure transmission schemes for multi-user multi-relay networks, where the communication from M users to the base station is assisted by direct links and by N decode-and-forward relays. In this network, we consider that a passive eavesdropper exists to overhear the transmitted information, which entails exploiting the advantages of both direct and relay links for physical layer security enhancement. To fulfill this requirement, we investigate two criteria for user and relay selection and examine the achievable secrecy performance. Criterion I performs a joint user and relay selection, while Criterion II performs separate user and relay selections, with a lower implementation complexity. We derive a tight lower bound on the secrecy outage probability for Criterion I and an accurate analytical expression for the secrecy outage probability for Criterion II. We further derive the asymptotic secrecy outage probabilities at high transmit signal-to-noise ratios and high main-to-eavesdropper ratios for both criteria. We demonstrate that the secrecy diversity order is min (MN, M + N) for Criterion I, and N for Criterion II. Finally, we present numerical and simulation results to validate the proposed analysis, and show the occurrence condition of the secrecy outage probability floor

Intermediate-coupling R -matrix calculations of electron-impact excitation of Fe 5+

For applications to laboratory and astrophysical plasmas, there is a great need for accurate electron-impact excitation data between individual levels in the lower charge-state ions of iron. Recently, we have reported on the first intermediate-coupling R -matrix calculation of electron-impact excitation in Fe 4+ , in which the close-coupling expansion of the target included levels from both ground and excited configurations (Ballance et al 2007 J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. [/0953-4075/40/23/f01] 40 F327 , 2008 Europhys. News 39 14). In this paper, we present the results of two large intermediate-coupling Dirac R -matrix calculations of electron-impact excitation of Fe 5+ . The results from the two calculations, which differ only in the configuration–interaction expansions of the target, are compared. These comparisons provide some indication of the accuracy of the calculations and the resulting data should be useful in modelling plasmas containing iron.

IQ Imbalance in Multiuser Systems: Channel Estimation and Compensation

In this paper, we consider the uplink of a single-cell multi-user single-input multiple-output (MU-SIMO) system with in-phase and quadrature-phase imbalance (IQI). Particularly, we investigate the effect of receive (RX) IQI on the performance of MU-SIMO systems with large antenna arrays employing maximum-ratio combining (MRC) receivers. In order to study how IQI affects channel estimation, we derive a new channel estimator for the IQI-impaired model and show that the higher the value of signal-to-noise ratio (SNR) the higher the impact of IQI on the spectral efficiency (SE). Moreover, a novel pilot-based joint estimator of the augmented MIMO channel matrix and IQI coefficients is described and then, a low-complexity IQI compensation scheme is proposed which is based on the
IQI coefficients’ estimation and it is independent of the channel gain. The performance of the proposed compensation scheme is analytically evaluated by deriving a tractable approximation of the ergodic SE assuming transmission over Rayleigh fading channels with large-scale fading. Furthermore, we investigate how many MSs should be scheduled in massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems with IQI and show that the highest SE loss occurs at the optimal operating point. Finally,
by deriving asymptotic power scaling laws, and proving that the SE loss due to IQI is asymptotically independent of the number of BS antennas, we show that massive MIMO is resilient to the effect of RX IQI.

Exact and numerical solutions for diffusio-reaction equations with convection term

Esta dissertação estuda essencialmente dois problemas: (A) uma classe de equações unidimensionais de reacção-difusão-convecção em meios não uniformes (dependentes do espaço), e (B) um problema elíptico não-linear e paramétrico ligado a fenómenos de capilaridade. A Análise de Perturbação Singular e a dinâmica de Hamilton-Jacobi são utilizadas na obtenção de expressões assimptóticas para a solução (com comportamento de frente) e para a sua velocidade de propagação. Os seguintes três métodos de decomposição, Adomian Decomposition Method (ADM), Decomposition Method based on Infinite Products (DIP), e New Iterative Method (NIM), são apresentados e brevemente comparados. Adicionalmente, condições suficientes para a convergência da solução em série, obtida pelo ADM, e uma aplicação a um problema da Telecomunicações por Fibras Ópticas, envolvendo EDOs não-lineares designadas equações de Raman, são discutidas. Um ponto de vista mais abrangente que unifica os métodos de decomposição referidos é também apresentado. Para subclasses desta EDP são obtidas soluções numa forma explícita, para diferentes tipos de dados e usando uma variante do método de simetrias de Bluman-Cole. Usando Teoria de Pontos Críticos (o teorema usualmente designado mountain pass) e técnicas de truncatura, prova-se a existência de duas soluções não triviais (uma positiva e uma negativa) para o problema elíptico não-linear e paramétrico (B). A existência de uma terceira solução não trivial é demonstrada usando Grupos Críticos e Teoria de Morse.

Metodologias de optimização topológica em cálculo estrutural

A optimização estrutural é uma temática antiga em engenharia. No entanto, com o crescimento do método dos elementos finitos em décadas recentes, dá origem a um crescente número de aplicações. A optimização topológica, especificamente, surge associada a uma fase de definição de domínio efectivo de um processo global de optimização estrutural. Com base neste tipo de optimização, é possível obter a distribuição óptima de material para diversas aplicações e solicitações. Os materiais compósitos e alguns materiais celulares, em particular, encontram-se entre os materiais mais proeminentes dos nossos dias, em termos das suas aplicações e de investigação e desenvolvimento. No entanto, a sua estrutura potencialmente complexa e natureza heterogénea acarretam grandes complexidades, tanto ao nível da previsão das suas propriedades constitutivas quanto na obtenção das distribuições óptimas de constituintes. Procedimentos de homogeneização podem fornecer algumas respostas em ambos os casos. Em particular, a homogeneização por expansão assimptótica pode ser utilizada para determinar propriedades termomecânicas efectivas e globais a partir de volumes representativos, de forma flexível e independente da distribuição de constituintes. Além disso, integra processos de localização e fornece informação detalhada acerca de sensibilidades locais em metodologias de optimização multiescala. A conjugação destas áreas pode conduzir a metodologias de optimização topológica multiescala, nas quais de procede à obtenção não só de estruturas óptimas mas também das distribuições ideais de materiais constituintes. Os problemas associados a estas abordagens tendem, no entanto, a exigir recursos computacionais assinaláveis, criando muitas vezes sérias limitações à exequibilidade da sua resolução. Neste sentido, técnicas de cálculo paralelo e distribuído apresentam-se como uma potencial solução. Ao dividir os problemas por diferentes unidades memória e de processamento, é possível abordar problemas que, de outra forma, seriam proibitivos. O principal foco deste trabalho centra-se na importância do desenvolvimento de procedimentos computacionais para as aplicações referidas. Adicionalmente, estas conduzem a diversas abordagens alternativas na procura simultânea de estruturas e materiais para responder a aplicações termomecânicas. Face ao exposto, tudo isto é integrado numa plataforma computacional de optimização multiobjectivo multiescala em termoelasticidade, desenvolvida e implementada ao longo deste trabalho. Adicionalmente, o trabalho é complementado com a montagem e configuração de um cluster do tipo Beowulf, assim como com o desenvolvimento do código com vista ao cálculo paralelo e distribuído.

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.

F. G. Teixeira e a comunidade matemática europeia nos séculos XIX-XX

Esta dissertação descreve o processo de integração dos matemáticos portugueses na comunidade matemática internacional no final do século XIX e início do século XX, focando-se na vida e obra do matemático Francisco Gomes Teixeira (1851-1933). Tenciona a ser mais um contributo para o reconhecimento nacional e internacional do matemático Gomes Teixeira analisando a sua obra como matemático e organizador científico em Portugal através de fontes, parcialmente ainda não conhecidas. Para esse efeito analisou-se a evolução histórica que ocorreu no mundo científico daquela época, em particular a formação da comunidade matemática através de iniciativas individuais ou coletivas, muitas vezes acompanhadas pela fundação de revistas e elaboração de manuais que contribuíram para a internacionalização e, de certa forma, para uma estandardização do estudo universitário básico. Em particular foi estudada a situação em Portugal, onde o papel de liderança foi assumido por Gomes Teixeira. Mostra-se como Gomes Teixeira, graças ao seu trabalho, ao seu talento como matemático e à sua atividade como organizador académico, conseguiu reduzir significativamente o isolamento científico de Portugal na área da matemática. Estudou-se em extensão a fundação de revistas científicas em diferentes países, acompanhando a sua evolução desde de revistas nacionais até revistas internacionais. Focando-nos no Jornal de Sciencias Matemáticas e Astronómicas, fundado em 1877 por Gomes Teixeira (mais tarde conhecido internacionalmente como Teixeira’s Journal), acompanhamos detalhadamente a sua transformação de uma revista nacional numa revista internacional, sendo esta transformação comum naquela época à maioria de revistas científicas importantes de outros países como, por exemplo, no caso do Jornal de Crelle, do Jornal de Liouville, ou outros. Estudou-se igualmente o reconhecimento a nível internacional, através de referências estrangeiras, da abordagem original de Gomes Teixeira à Análise Infinitesimal patente nos seus manuais. O interesse de Gomes Teixeira pela teoria das funções analíticas e pelos seus diferentes desenvolvimentos em série manifestou-se no grande número de artigos publicados sobre este tema e encontrou reconhecimento justo pela designação de um teorema que completa resultados de Lagrange e de Laurent como Teorema de Teixeira. Na sua análise do mérito científico de Gomes Teixeira esta dissertação restringiu-se conscientemente nesta área da Análise Matemática, uma vez que um estudo abrangente de toda a obra ultrapassasse o nosso objetivo. Foi também discutido o intenso intercâmbio científico levado a cabo por Gomes Teixeira através de correspondência e troca de publicações ou permuta de revistas com os matemáticos de diferentes países. Esta análise permitiu verificar um aumento da popularidade dos matemáticos portugueses através do incremento do número de artigos publicados no estrangeiro durante quase 30 anos. Uma fonte imprescindível nesta análise foi o Jahrbuch über die Fortschritte der Mathematik, cujas referências (em geral na língua alemã e por isso até agora quase nunca usadas na literatura Portuguesa) documentaram as publicações em quase todas as revistas matemáticas durante os anos da sua existência entre 1868 e 1942. Descreve-se a colaboração de Gomes Teixeira com diferentes organizações internacionais e documenta-se o apreço internacional por parte do mundo académico. Novos documentos traçam o processo de eleição como membro da Academia das Ciências Alemã Leopoldina, sob proposta de Georg Cantor e outros matemáticos alemães. Finalmente, incluí-se uma breve descrição das atividades levadas a cabo na Rússia, em Espanha e na Grécia em prol do processo de internacionalização da comunidade matemática europeia tendo em vista uma melhor contextualização do contributo de Gomes Teixeira para a integração de Portugal neste processo.

Analysis of annuli in otoliths, age distribution and growth rates of the Namibian hake (Merluccius capensis)

Dissertação mest., Gestão da Água e da Costa, Universidade do Algarve, 2007

Marine foundation species shifting ranges and genetic baselines

This thesis revealed the most importance factors shaping the distribution, abundance and genetic diversity of four marine foundation species. Environmental conditions, particularly sea temperatures, nutrient availability and ocean waves, played a primary role in shaping the spatial distribution and abundance of populations, acting on scales varying from tens of meters to hundreds of kilometres. Furthermore, the use of Species Distribution Models (SDMs) with biological records of occurrence and high-resolution oceanographic data, allowed predicting species distributions across time. This approach highlighted the role of climate change, particularly when extreme temperatures prevailed during glacial and interglacial periods. These results, when combined with mtDNA and microsatellite genetic variation of populations allowed inferring for the influence of past range dynamics in the genetic diversity and structure of populations. For instance, the Last Glacial Maximum produced important shifts in species ranges, leaving obvious signatures of higher genetic diversities in regions where populations persisted (i.e., refugia). However, it was found that a species’ genetic pool is shaped by regions of persistence, adjacent to others experiencing expansions and contractions. Contradicting expectations, refugia seem to play a minor role on the re(colonization) process of previously eroded populations. In addition, the available habitat area for expanding populations and the inherent mechanisms of species dispersal in occupying available habitats were also found to be fundamental in shaping the distributions of genetic diversity. However, results suggest that the high levels of genetic diversity in some populations do not rule out that they may have experienced strong genetic erosion in the past, a process here named shifting genetic baselines. Furthermore, this thesis predicted an ongoing retraction at the rear edges and extinctions of unique genetic lineages, which will impoverish the global gene pool, strongly shifting the genetic baselines in the future.

Pollen Season and Climate: Is the Timing of Birch Pollen Release in the UK Approaching its Limit?

In light of heightened interest in the response of pollen phenology to temperature, we investigated recent changes to the onset of Betula (birch) pollen seasons in central and southern England, including a test of predicted advancement of the Betula pollen season for London. We calculated onset of birch pollen seasons using daily airborne pollen data obtained at London, Plymouth and Worcester, determined trends in the start of the pollen season and compared timing of the birch pollen season with observed temperature patterns for the period 1995–2010. We found no overall change in the onset of birch pollen in the study period although there was evidence that the response to temperature was nonlinear and that a lower asymptotic start of the pollen season may exist. The start of the birch pollen season was strongly correlated with March mean temperature. These results reinforce previous findings showing that the timing of the birch pollen season in the UK is particularly sensitive to spring temperatures. The climate relationship shown here persists over both longer decadal-scale trends and shorter, seasonal trends as well as during periods of ‘sign-switching’ when cooler spring temperatures result in later start dates. These attributes, combined with the wide geographical coverage of airborne pollen monitoring sites, some with records extending back several decades, provide a powerful tool for the detection of climate change impacts, although local site factors and the requirement for winter chilling may be confounding factors.

Essays on Applications of the Factor Model

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2013

Towards an Application-Specific Thermal Energy Model of Current Processors

Recent developments of high-end processors recognize temperature monitoring and tuning as one of the main challenges towards achieving higher performance given the growing power and temperature constraints. To address this challenge, one needs both suitable thermal energy abstraction and corresponding instrumentation. Our model is based on application-specific parameters such as power consumption, execution time, and asymptotic temperature as well as hardware-specific parameters such as half time for thermal rise or fall. As observed with our out-of-band instrumentation and monitoring infrastructure, the temperature changes follow a relatively slow capacitor-style charge-discharge process. Therefore, we use the lumped thermal model that initiates an exponential process whenever there is a change in processor’s power consumption. Initial experiments with two codes – Firestarter and Nekbone – validate our thermal energy model and demonstrate its use for analyzing and potentially improving the application-specific balance between temperature, power, and performance.

Optimal approximation of fractional derivatives through discrete-time fractions using genetic algorithms

This study addresses the optimization of rational fraction approximations for the discrete-time calculation of fractional derivatives. The article starts by analyzing the standard techniques based on Taylor series and Padé expansions. In a second phase the paper re-evaluates the problem in an optimization perspective by tacking advantage of the flexibility of the genetic algorithms.

Drilling deeper: Understanding trade in Angola

The present study analyzes Angola’s trading partners from 2005 to 2015 in order to understand the main drivers of Exports and Imports growth. Departing from a gravity model, foreign GDP growth and real exchange rate fluctuations were interpreted as demand and supply disturbances on Exports. While nominal and real exports both increase with demand expansions, they react differently to supply shocks. Imports are growing at the same rate as Angola’s economy while exchange rate fluctuations capture the wealth effect of Oil price in the economy.

Functional and histopathological identification of the respiratory failure in a DMSXL transgenic mouse model of myotonic dystrophy.

Acute and chronic respiratory failure is one of the major and potentially life-threatening features in individuals with myotonic dystrophy type 1 (DM1). Despite several clinical demonstrations showing respiratory problems in DM1 patients, the mechanisms are still not completely understood. This study was designed to investigate whether the DMSXL transgenic mouse model for DM1 exhibits respiratory disorders and, if so, to identify the pathological changes underlying these respiratory problems. Using pressure plethysmography, we assessed the breathing function in control mice and DMSXL mice generated after large expansions of the CTG repeat in successive generations of DM1 transgenic mice. Statistical analysis of breathing function measurements revealed a significant decrease in the most relevant respiratory parameters in DMSXL mice, indicating impaired respiratory function. Histological and morphometric analysis showed pathological changes in diaphragmatic muscle of DMSXL mice, characterized by an increase in the percentage of type I muscle fibers, the presence of central nuclei, partial denervation of end-plates (EPs) and a significant reduction in their size, shape complexity and density of acetylcholine receptors, all of which reflect a possible breakdown in communication between the diaphragmatic muscles fibers and the nerve terminals. Diaphragm muscle abnormalities were accompanied by an accumulation of mutant DMPK RNA foci in muscle fiber nuclei. Moreover, in DMSXL mice, the unmyelinated phrenic afferents are significantly lower. Also in these mice, significant neuronopathy was not detected in either cervical phrenic motor neurons or brainstem respiratory neurons. Because EPs are involved in the transmission of action potentials and the unmyelinated phrenic afferents exert a modulating influence on the respiratory drive, the pathological alterations affecting these structures might underlie the respiratory impairment detected in DMSXL mice. Understanding mechanisms of respiratory deficiency should guide pharmaceutical and clinical research towards better therapy for the respiratory deficits associated with DM1.