Segurança no nível físico em sistemas multi-antena com diretividade na informação

Os sistemas de comunicação sem fios são sistemas de difusão por natureza. Devido a essa sua natureza, um dos problemas inerentes à mesma deve-se à segurança e ao secretismo, pois se o canal é partilhado a informação facilmente é obtida por um utilizador não autorizado, ao contrário dos sistemas de comunicação com fios. Tradicionalmente, a introdução de segurança em sistemas de comunicação, resulta na encriptação da informação, resultante de protocolos de encriptação. No entanto, a segurança através da criptografia baseia-se na premissa de que o utilizador não autorizado tem uma capacidade de processamento limitada, pois senão poderia simplesmente tentar todas as combinações possíveis e obter a chave de encriptação. Como a capacidade de processamento tem crescido exponencialmente, este tipo de sistemas tem se tornado cada vez mais complexos para não se tornarem obsoletos. A introdução de segurança na camada física torna-se então uma opção apelativa pois pode servir como um complemento, visto que os sistemas de criptografia funcionam em camadas superiores independentes da camada fisica, apresentando assim uma abordagem multi-camada em termos de segurança. Tipicamente as técnicas de segurança no nível físico podem se agrupar em 2 tipos: técnicas que se baseiam em códigos, ou técnicas que exploram variações temporais e espaciais do canal. As primeiras diminuem a eficiência espectral do sistema, e as segundas apresentam bons resultados em ambientes dinâmicos, mas em ambientes estáticos não são muito promissores. Há também a necessidade de aumentar as taxas de transmissão nos próximos sistemas de comunicação. Devido a estes requisitos, uma das tecnologias propostas para a nova geração de comunicações, é uma tecnologia baseada numa arquitectura Multiple-Input-Multiple-Output(MIMO). Esta tecnologia é promissora e consegue atingir taxas de transferências que correspondem aos requisitos propostos. Apresenta-se assim uma nova técnica de segurança no nível físico, que explora as caracteristicas físicas do sistema, como um complemento a outras medidas de segurança em camadas mais altas. Esta técnica não provoca diminuição da eficiência espectral e é independente do canal, o que tenta solucionar os problemas das restantes técnicas já existentes.

Robust stability of sequential multi-input multi-output quantitative feedback theory designs

This paper re-examines the stability of multi-input multi-output (MIMO) control systems designed using sequential MIMO quantitative feedback theory (QFT). In order to establish the results, recursive design equations for the SISO equivalent plants employed in a sequential MIMO QFT design are established. The equations apply to sequential MIMO QFT designs in both the direct plant domain, which employs the elements of plant in the design, and the inverse plant domain, which employs the elements of the plant inverse in the design. Stability theorems that employ necessary and sufficient conditions for robust closed-loop internal stability are developed for sequential MIMO QFT designs in both domains. The theorems and design equations facilitate less conservative designs and improved design transparency.

Design of a minimum variance multiple input-multiple output neuro self-tuning proportional-integral-derivative controller for non-linear dynamic systems

In this study a minimum variance neuro self-tuning proportional-integral-derivative (PID) controller is designed for complex multiple input-multiple output (MIMO) dynamic systems. An approximation model is constructed, which consists of two functional blocks. The first block uses a linear submodel to approximate dominant system dynamics around a selected number of operating points. The second block is used as an error agent, implemented by a neural network, to accommodate the inaccuracy possibly introduced by the linear submodel approximation, various complexities/uncertainties, and complicated coupling effects frequently exhibited in non-linear MIMO dynamic systems. With the proposed model structure, controller design of an MIMO plant with n inputs and n outputs could be, for example, decomposed into n independent single input-single output (SISO) subsystem designs. The effectiveness of the controller design procedure is initially verified through simulations of industrial examples.

Analysis and design of reconfigurable multimode multiport microstrip antennas for mimo systems and diversity schemes

Las comunicaciones inalámbricas han transformado profundamente la forma en la que la gente se comunica en el día a día y es, sin lugar a dudas, una de las tecnologías de nuestro tiempo que más rápidamente evoluciona. Este rápido crecimiento implica retos enormes en la tecnología subyacente, debido y entre otros motivos, a la gran demanda de capacidad de los nuevos servicios inalámbricos. Los sistemas Multiple Input Multiple Output (MIMO) han despertado mucho interés como medio de mejorar el rendimiento global del sistema, satisfaciendo de este modo y en cierta medida los nuevo requisitos exigidos. De hecho, el papel relevante de esta tecnología en los actuales esfuerzos de estandarización internacionales pone de manifiesto esta utilidad. Los sistemas MIMO sacan provecho de los grados de libertad espaciales, disponibles a través del entorno multitrayecto, para mejorar el rendimiento de la comunicación con una destacable eficiencia espectral. Con el fin de alcanzar esta mejora en el rendimiento, la diversidad espacial y por diagrama han sido empleadas tradicionalmente para reducir la correlación entre los elementos radiantes, ya que una correlación baja es condición necesaria, si bien no suficiente, para dicha mejora. Tomando como referencia, o punto de partida, las técnicas empleadas para obtener diversidad por diagrama, esta tesis doctoral surge de la búsqueda de la obtención de diversidad por diagrama y/o multiplexación espacial a través del comportamiento multimodal de la antena microstrip, proponiendo para ello un modelo cuasi analítico original para el análisis y diseño de antenas microstrip multipuerto, multimodo y reconfigurables. Este novedoso enfoque en este campo, en vez de recurrir a simulaciones de onda completa por medio de herramientas comerciales tal y como se emplea en las publicaciones existentes, reduce significativamente el esfuerzo global de análisis y diseño, en este último caso por medio de guías de diseño generales. Con el fin de lograr el objetivo planteado y después de una revisión de los principales conceptos de los sistemas MIMO que se emplearán más adelante, se fija la atención en encontrar, implementar y verificar la corrección y exactitud de un modelo analítico que sirva de base sobre la cual añadir las mejoras necesarias para obtener las características buscadas del modelo cuasi analítico propuesto. Posteriormente y partiendo del modelo analítico base seleccionado, se exploran en profundidad y en diferentes entornos multitrayecto, las posibilidades en cuanto a rendimiento se refiere de diversidad por diagrama y multiplexación espacial, proporcionadas por el comportamiento multimodal de las antenas parche microstrip sin cargar. Puesto que cada modo de la cavidad tiene su propia frecuencia de resonancia, es necesario encontrar formas de desplazar la frecuencia de resonancia de cada modo empleado para ubicarlas en la misma banda de frecuencia, manteniendo cada modo al mismo tiempo tan independiente como sea posible. Este objetivo puede lograrse cargando adecuadamente la cavidad con cargas reactivas, o alterando la geometría del parche radiante. Por consiguiente, la atención en este punto se fija en el diseño, implementación y verificación de un modelo cuasi analítico para el análisis de antenas parche microstrip multipuerto, multimodo y cargadas que permita llevar a cabo la tarea indicada, el cuál es una de las contribuciones principales de esta tesis doctoral. Finalmente y basándose en el conocimiento adquirido a través del modelo cuasi analítico, se proporcionan y aplican guías generales para el diseño de antenas microstrip multipuerto, multimodo y reconfigurables para sistemas MIMO, con el fin de mejorar su diversidad por diagrama y/o su capacidad por medio del comportamiento multimodal de las antenas parche microstrip. Se debe destacar que el trabajo presentado en esta tesis doctoral ha dado lugar a una publicación en una revista técnica internacional de un alto factor de impacto. De igual manera, el trabajo también ha sido presentado en algunas de las más importantes conferencias internacionales en el ámbito de las antenas ABSTRACT Wireless communications have deeply transformed the way people communicate on daily basis and it is undoubtedly one of the most rapidly evolving technologies of our time. This fast growing behaviour involves huge challenges on the bearing technology, due to and among others reasons, the high demanding capacity of new wireless services. MIMO systems have given rise to considerable interest as a means to enhance the overall system performance, thus satisfying somehow the new demanding requirements. Indeed, the significant role of this technology on current international standardization efforts, highlights this usefulness. MIMO systems make profit from the spatial degrees of freedom available through the multipath scenario to improve the communication performance with a remarkable spectral efficiency. In order to achieve this performance improvement, spatial and pattern diversity have been traditionally used to decrease the correlation between antenna elements, as low correlation is a necessary but not sufficient condition. Taking as a reference, or starting point, the techniques used to achieve pattern diversity, this Philosophiae Doctor (Ph.D.) arises from the pursuit of obtaining pattern diversity and/or spatial multiplexing capabilities through the multimode microstrip behaviour, thus proposing a novel quasi analytical model for the analysis and design of reconfigurable multimode multiport microstrip antennas. This innovative approach on this field, instead of resorting to full-wave simulations through commercial tools as done in the available publications, significantly reduces the overall analysis and design effort, in this last case through comprehensive design guidelines. In order to achieve this goal and after a review of the main concepts of MIMO systems which will be followed used, the spotlight is fixed on finding, implementing and verifying the correctness and accuracy of a base quasi analytical model over which add the necessary enhancements to obtain the sought features of the quasi analytical model proposed. Afterwards and starting from the base quasi analytical model selected, the pattern diversity and spatial multiplexing performance capabilities provided by the multimode behaviour of unloaded microstrip patch antennas under different multipath environments are fully explored. As each cavity mode has its own resonant frequency, it is required to find ways to displace the resonant frequency of each used mode to place them at the same frequency band while keeping each mode as independent as possible. This objective can be accomplished with an appropriate loading of the cavity with reactive loads, or through the alteration of the geometry of the radiation patch. Thus, the focus is set at this point on the design, implementation and verification of a quasi analytical model for the analysis of loaded multimode multiport microstrip patch antennas to carry out the aforementioned task, which is one of the main contributions of this Ph.D. Finally and based on the knowledge acquired through the quasi analytical model, comprehensive guidelines to design reconfigurable multimode MIMO microstrip antennas to improve the spatial multiplexing and/or diversity system performance by means of the multimode microstrip patch antenna behaviour are given and applied. It shall be highlighted that the work presented in this Ph.D. has given rise to a publication in an international technical journal of high impact factor. Moreover, the work has also been presented at some of the most important international conferences in antenna area.

User scheduling for low earth orbit multi-user multiple-input-multiple-output non-terrestrial network systems

In rural and isolated areas without cellular coverage, Satellite Communication (SatCom) is the best candidate to complement terrestrial coverage. However, the main challenge for future generations of wireless networks will be to meet the growing demand for new services while dealing with the scarcity of frequency spectrum. As a result, it is critical to investigate more efficient methods of utilizing the limited bandwidth; and resource sharing is likely the only choice. The research community’s focus has recently shifted towards the interference management and exploitation paradigm to meet the increasing data traffic demands. In the Downlink (DL) and Feedspace (FS), LEO satellites with an on-board antenna array can offer service to numerous User Terminals (UTs) (VSAT or Handhelds) on-ground in FFR schemes by using cutting-edge digital beamforming techniques. Considering this setup, the adoption of an effective user scheduling approach is a critical aspect given the unusually high density of User terminals on the ground as compared to the on-board available satellite antennas. In this context, one possibility is that of exploiting clustering algorithms for scheduling in LEO MU-MIMO systems in which several users within the same group are simultaneously served by the satellite via Space Division Multiplexing (SDM), and then these different user groups are served in different time slots via Time Division Multiplexing (TDM). This thesis addresses this problem by defining a user scheduling problem as an optimization problem and discusses several algorithms to solve it. In particular, focusing on the FS and user service link (i.e., DL) of a single MB-LEO satellite operating below 6 GHz, the user scheduling problem in the Frequency Division Duplex (FDD) mode is addressed. The proposed State-of-the-Art scheduling approaches are based on graph theory. The proposed solution offers high performance in terms of per-user capacity, Sum-rate capacity, SINR, and Spectral Efficiency.

Controlo unfalsified em sistemas MIMO

Com o crescente progresso tecnológico, surgem sistemas mais eficientes, mas também mais complexos e não-lineares. Isto torna-se mais evidente em sistemas Multi-Input Multi-Output (MIMO), devido a diferentes efeitos que uma entrada possa ter sobre diversas saídas. Para estes sistemas, a obtenção de modelos matemáticos que capturem, com precisão aceitável, a dinâmica do sistema, torna-se cada vez mais complexa e custosa. Sendo que muitos dos sistemas utilizados hoje em dia são MIMO, a diminuição na precisão dos modelos matemáticos é uma adversidade à eficiência dos sistemas de controlo. Isto deve-se a grande parte dos métodos de projeto de controladores terem como base o modelo do sistema. O trabalho realizado nesta dissertação pretende desenvolver uma estrutura de supervisão para sistemas MIMO, com base em controlo Unfalsified, ou Unfalsified Control (UC). Este consiste numa abordagem de controlo adaptativo, cujo processo de adaptação se traduz na seleção de um controlador, de entre um conjunto pré-determinado. Em cada momento é selecionado o controlador que mais se adequa ao objetivo de controlo pretendido. A utilização de UC representa uma possível solução para o problema apresentado, pois utiliza apenas dados experimentais recolhidos do funcionamento do processo. Assim, contorna a necessidade da existência de modelos do processo. Existem, no entanto, dificuldades associadas à comutação de controladores, pelo que este trabalho pretende também desenvolver uma estrutura de Bumpless Transfer (BT), de forma a reduzir estes efeitos. Finalmente, a utilização de dados experimentais implica que a aplicação de UC a um processo está apenas limitada ao ajuste dos parâmetros do sistema de supervisão, e à existência de um conjunto de controladores adequados.

Measuring Scale Efficiency from the Translog Multi-Input, Multi-Output Distance Function

Ray (1998) developed measures of input- and output-oriented scale efficiency that can be directly computed from an estimated Translog frontier production function. This note extends the earlier results from Ray (1998) to the multiple-output multiple input case.

Design methodology for the servo control of high speed multi-axis machinery (BL): decoupling and synchronisation of a generic machine by blockwise decentralised MIMO control

Traditional machinery for manufacturing processes are characterised by actuators powered and co-ordinated by mechanical linkages driven from a central drive. Increasingly, these linkages are replaced by independent electrical drives, each performs a different task and follows a different motion profile, co-ordinated by computers. A design methodology for the servo control of high speed multi-axis machinery is proposed, based on the concept of a highly adaptable generic machine model. In addition to the dynamics of the drives and the loads, the model includes the inherent interactions between the motion axes and thus provides a Multi-Input Multi-Output (MIMO) description. In general, inherent interactions such as structural couplings between groups of motion axes are undesirable and needed to be compensated. On the other hand, imposed interactions such as the synchronisation of different groups of axes are often required. It is recognised that a suitable MIMO controller can simultaneously achieve these objectives and reconciles their potential conflicts. Both analytical and numerical methods for the design of MIMO controllers are investigated. At present, it is not possible to implement high order MIMO controllers for practical reasons. Based on simulations of the generic machine model under full MIMO control, however, it is possible to determine a suitable topology for a blockwise decentralised control scheme. The Block Relative Gain array (BRG) is used to compare the relative strength of closed loop interactions between sub-systems. A number of approaches to the design of the smaller decentralised MIMO controllers for these sub-systems has been investigated. For the purpose of illustration, a benchmark problem based on a 3 axes test rig has been carried through the design cycle to demonstrate the working of the design methodology.

A Random Access Protocol incorporating Multi-Packet Reception, Retransmission Diversity and Successive Interference Cancellation

8th International Workshop on Multiple Access Communications (MACOM2015), Helsinki, Finland.

Multi-antenna non-line-of-sight identification techniques for target localization in mobile ad-hoc networks

Target localization has a wide range of military and civilian applications in wireless mobile networks. Examples include battle-field surveillance, emergency 911 (E911), traffc alert, habitat monitoring, resource allocation, routing, and disaster mitigation. Basic localization techniques include time-of-arrival (TOA), direction-of-arrival (DOA) and received-signal strength (RSS) estimation. Techniques that are proposed based on TOA and DOA are very sensitive to the availability of Line-of-sight (LOS) which is the direct path between the transmitter and the receiver. If LOS is not available, TOA and DOA estimation errors create a large localization error. In order to reduce NLOS localization error, NLOS identifcation, mitigation, and localization techniques have been proposed. This research investigates NLOS identifcation for multiple antennas radio systems. The techniques proposed in the literature mainly use one antenna element to enable NLOS identifcation. When a single antenna is utilized, limited features of the wireless channel can be exploited to identify NLOS situations. However, in DOA-based wireless localization systems, multiple antenna elements are available. In addition, multiple antenna technology has been adopted in many widely used wireless systems such as wireless LAN 802.11n and WiMAX 802.16e which are good candidates for localization based services. In this work, the potential of spatial channel information for high performance NLOS identifcation is investigated. Considering narrowband multiple antenna wireless systems, two xvNLOS identifcation techniques are proposed. Here, the implementation of spatial correlation of channel coeffcients across antenna elements as a metric for NLOS identifcation is proposed. In order to obtain the spatial correlation, a new multi-input multi-output (MIMO) channel model based on rough surface theory is proposed. This model can be used to compute the spatial correlation between the antenna pair separated by any distance. In addition, a new NLOS identifcation technique that exploits the statistics of phase difference across two antenna elements is proposed. This technique assumes the phases received across two antenna elements are uncorrelated. This assumption is validated based on the well-known circular and elliptic scattering models. Next, it is proved that the channel Rician K-factor is a function of the phase difference variance. Exploiting Rician K-factor, techniques to identify NLOS scenarios are proposed. Considering wideband multiple antenna wireless systems which use MIMO-orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signaling, space-time-frequency channel correlation is exploited to attain NLOS identifcation in time-varying, frequency-selective and spaceselective radio channels. Novel NLOS identi?cation measures based on space, time and frequency channel correlation are proposed and their performances are evaluated. These measures represent a better NLOS identifcation performance compared to those that only use space, time or frequency.

Comunicações Não-coerentes em Sistemas MIMO: Desenho do Receptor e Construção de Códigos

Este trabalho aborda o problema do desenho de códigos espácio-temporais para sistemas de comunicação multiple-input multiple-output (MIMO) sem fios. Considera-se o contexto realista e desafiante da recepção não-coerente (a realização do canal é desconhecida no receptor). O detector conhecido como generalized likelihood ratio test (GLRT)é implementado no receptor e, ao contrário da maioria das abordagens actuais, permite-se uma estrutura de correlação arbitrária para o ruído gaussiano de observação. Apresenta-se uma análise teórica para a probabilidade de erro do detector, em ambos os regimes assimptóticos de relação sinal-ruído (SNR) alta e baixa. Essa análise conduz a um critério de optimalidade para desenho de códigos e permite uma re-interpretação geométrica do problema abordado como um problema de empacotamento óptimo num producto Cartesiano de espaço projectivos. A construção dos códigos implica a resolução de um problema de optimização não-linear, não-diferenciável e de dimensão elevada, o qual foi abordado aqui em duas fases. A primeira fase explora uma relaxação convexa do problema original para obter uma estimativa inicial. A segunda fase, refina essa estimativa através de um algoritmo iterativo de descida do gradiente ao longo de geodésicas, explorando-se assim a geometria Riemanniana imposta pelas restricões de potência sobre os códigos espáciotemporais. Mostra-se que o desempenho dos novos códigos obtidos por este método excede o das soluções previamente conhecidas. De facto, para algumas configurações particulares, estas novas constelações atingem o limiar de Rankin e são por isso garantidamente óptimas.

Aumento de capacidade em sistemas MIMO coordenados para advanced LTE com utilização de repetidores fixos

Com vista a revolucionar o sector das comunicações móveis, muito à custa dos elevados débitos prometidos, a tecnologia LTE recorre a uma técnica que se prevê que seja bastante utilizada nas futuras redes de comunicações móveis: Relaying. Juntamente com esta técnica, o LTE recorre à técnica MIMO, para melhorar a qualidade da transmissão em ambientes hostis e oferecer elevados ritmos de transmissão. No planeamento das próximas redes LTE, o recurso à técnica Relaying é frequente. Esta técnica, tem como objectivo aumentar a cobertura e/ou capacidade da rede, e ainda melhorar o seu desempenho em condições de fronteira de célula. A performance de uma RS depende da sua localização, das condições de propagação do canal rádio a que tanto a RS como o EU estão sujeitos, e ainda da capacidade que a RS tem de receber, processar e reencaminhar a informação. O objectivo da tese é estudar a relação existente entre o posicionamento de uma RS e o seu desempenho. Desta forma, pretende-se concluir qual a posição ideal de uma RS (tanto do tipo AF como SDF). Para além deste estudo, é apresentado um comparativo do desempenho dos modos MIMO TD e OL-SM, onde se conclui em que condições deverão ser utilizados, numa rede LTE equipada com FRSs.

Seguimento de pessoas em sistemas multi-câmara

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Redes de Comunicação e Multimédia

Optimização energética de sistemas multi-componente da zona fria do Steam Cracker

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica