CTU - CENTRO DE TECNOLOGIA E URBANISMO
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Navegando CTU - CENTRO DE TECNOLOGIA E URBANISMO por Autor "Abrão, Taufik [Orientador]"
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Item Alocação de recursos em redes de comunicação de múltiplo acessoMarques, Mateus de Paula; Abrão, Taufik [Orientador]; Dias Neto, Fernando Ciriaco; Natti, Paulo LaerteResumo: Neste trabalho, diferentes aspectos de alocação de recursos são tratados, tais como alocação de potência e taxa de informação, tendo em vista a otimização de operação dos sistemas de comunicação sem fio de múltiplo acesso DS/CDMA A alocação de potência e de taxa de informação em sistemas DS/CDMA multi-taxa via múltiplos ganhos de processamento é abordada por meio de meta-heurísticas bio-inspiradas As metodologias de otimização por colônia de formigas em domínios contínuos (ACOR) e por enxame de partículas (PSO) foram aplicadas na resolução de três sub-problemas em redes de múltiplo acesso sem fio; tais sub-problemas são precisamente definidos pelo controle de potência da rede, a maximização ponderada do fluxo de informação e a maximização da eficiência energética da rede A qualidade dos resultados obtidos foi analisada através da métrica erro quadrático médio normalizado (NMSE) Neste contexto, verificouse que as meta-heurísticas empregadas foram capazes de garantir convergência na maior parte dos casos para soluções muito próximas do ótimo global (NMSE = 1-3) quando seus parâmetros de entrada são devidamente calibrados No que tange à complexidade computacional obtida com as meta-heurísticas, o ACOR atingiu em média 14, 3% da complexidade computacional requerida pelos algoritmos determinísticos utilizados, sendo 22% e 8, 91% no pior e no melhor caso, respectivamente Já o PSO atingiu em média 3, 79%, sendo 71, 71% e 1, 2% no pior e no melhor caso, respectivamente Assim, concluiu-se que as metaheurísticas aqui abordadas, bem como os algoritmos propostos para a resolução de problemas de alocação de recursos em redes de comunicação de múltiplo acesso que utilizam procedimentos de otimização heurísticos, demonstram efetividade no projeto de redes sem fio com eficiência energética e espectralItem Antenna selection schemes for energy efficiency increasing of XL-MIMO systems under non-stationary channelsUbiali, Gabriel Avanzi; Abrão, Taufik [Orientador]; Marinello Filho, José Carlos; Costa, Marcello GonçalvesResumo: Aumentar o número de antenas na estação rádio base de um sistema MIMO Massivo garante uma melhoria nas taxas de dados e na eficiência energética Entretanto, ao empregar centenas ou milhares de antenas, o peso do array de antenas pode se tornar uma dificuldade, bem como manter a separação entre antenas em no mínimo meio comprimento de onda, o que é oportuno para aproveitar inteiramente a disponibilidade de um grande número de antenas Consequentemente, o array de antenas torna-se muito mais comprido A principal consequência disto é que a maior parte da energia contida no sinal enviado por um determinado usuário atinge apenas uma pequena porção do array, o que é conhecido como não-estacionariedade espacial Portanto, selecionar as antenas que irão atuar na detecção do sinal transmitido por cada usuário, ao invés de usar todas as antenas, é uma ´ótima estratégia tendo em vista reduzir a complexidade computacional e o consumo de potência, sem comprometer a taxa de dados Nesse contexto, existem duas possíveis situações: o subconjunto de antenas selecionadas para cada usuário pode ser qualquer combinação entre as antenas disponíveis no array, ou então o array é previamente dividido em múltiplos subarrays, que seriam entidades de hardware independentes, e um ou mais subarrays são atribuídos a cada usuário Este trabalho propõe três esquemas de seleção de antenas (AS) e de dois esquemas de seleção de subarrays (SS) Os resultados numéricos demonstraram que os esquemas de seleção foram capazes de reduzir o número de antenas ativas em um cenário de baixa ou média densidade de usuários, e consequentemente reduzir consideravelmente o consumo de potência Ao definir uma pequena quantidade de antenas para realizar o receive combining para cada usuário, a complexidade também é reduzida nesse cenário Os algoritmos propostos selecionam os subconjuntos de antenas criteriosamente, dando preferência aqueles(as) cujo canal até o usuário está mais forte, também considerando a interferência potencial devido aos demais usuários Portanto, a taxa de dados apresenta apenas uma pequena redução, mesmo que o combinador zero-forcing (ZF) seja mais eficiente em combater a interferência quando o número de antenas é alto Enfim, como o consumo de potência diminui muito mais que a taxa de dados, a eficiência energética (EE) melhora colossalmente Um dos algoritmos propostos, chamado fair-AS, mantém o número de antenas ativas limitado arbitrariamente Este algoritmo mostrou-se mais eficiente que os demais em maximizar a eficiência energética, por garantir maior redução de potência que os demais, sem, no entanto, comprometer consideravelmente a taxa de dados do sistema O esquema fair-AS mostrou-se capaz de aumentar consideravelmente a EE, mesmo em cenários de moderada densidade de usuáriosItem Artificial intelligence techniques to enable massive connectivity and XL-MIMO in the future wireless communication networksSouza, João Henrique Inacio de; Abrão, Taufik [Orientador]; Marinello Filho, José Carlos; Barbon Junior, Sylvio; Souza, Richard DemoResumo: As redes de comunicação sem-fio enfrentam um aumento exponencial da demanda dos usúarios, além de um rápido crescimento no número de dispositivos conectados, impulsionado principalmente pela revolução da Internet das coisas Visando atender à segunda necessidade, as redes sem-fio da quinta geração (5G) implementação o serviço masssive machine-type communications (mMTC), projetado para fornecer conectividade massiva para dispositivos que possuem atividade esporádica, são equipados com hardware simples, e são alimentados por baterias de baixa capacidade Por outro lado, as crescentes demandas por maior capacidade e taxa de dados serão assistidas por estações rádio-base equipadas com transceptores de múltiplas antenas Atender a estes cenários é uma tarefa desafiadora devido à escassez de recursos de rádio combinada com as dificuldades técnicas enumeradas a seguir Os esquemas de acesso à rede convencionais são extremamente ineficientes ao lidar com grandes números de tentativas de conexão Ao mesmo tempo, estações rádio-base equipadas com grandes números de antenas apresentam gargalos de implementação decorrentes da alta largura de banda de interconexão e da complexidade computacional Considerando os desafios mencionados, nesta Dissertação de Mestrado nós investigamos protocolos de acesso aleatório e o transceptor extra-large scale massive MIMO (XL-MIMO) para viabilizar, respectivamente, a conectividade massiva no serviço mMTC e a implementação de transceptores de múltiplas antenas Adicionalmente, examinamos técnicas de inteligência artificial para projetar protocolos de acesso aleatório livres de concessão e algoritmos de alocação de recursos Nossas contribuições são enumeradas a seguir Propomos protocolos de acesso livres de concessão baseados nas redes neurais convolucionais que atingem alta performance com baixa complexidade computational na detecção de dispositivos ativos Ao mesmo tempo, elaboramos uma análise compreensiva dos protocolos de acesso livres de concessão disponíveis na literatura Em se tratando do transceptor XL-MIMO, propomos procedimentos distribuídos e centralizados baseando-se nos algoritmos genéticos para, conjuntamente, selecionar as antenas ativas e alocar potência visando maximizar a eficiência espectral do sistema Os procedimentos propostos são adequados para implementações com número limitado de transceptores de rádio-frequência, atingindo largura de banda de interconexão e complexidade computacional reduzidas, quando comparados com os métodos de referênciaItem Channel modeling and combiner design for massive MIMO and extra large scale MIMO systems with impairmentTaniguchi, Lígia May; Abrão, Taufik [Orientador]; Marinello Filho, José Carlos; Scalassara, Paulo RogérioResumo: Com centenas de antenas, massive MIMO (M-MIMO) é o principal candidato para aumentar substancialmente a capacidade dos sistemas de comunicação sem fio Além de M-MIMO, outro regime operacional recentemente proposto na literatura é o chamado extra large MIMO (XL-MIMO), onde os elementos da antena são dispostos em uma estrutura de grande dimensão Ambos os sistemas, M-MIMO e XL-MIMO, apresentam desafios para implementação, pois as medidas de canal demonstram que o aumento do número de antenas resulta em algumas características não observadas com um pequeno número de antenas, eg, o hardening channel e favorable propagation Entre os desafios estão a escolha do esquema de combinação apropriado e a modelagem de canais, ambos abordados neste trabalho Em relação aos modelos de canal, neste trabalho, nós comparamos os modelos estocásticos baseados em correlação versus os modelos baseados em geometria, onde ambos são avaliados no contexto dos sistemas M-MIMO e XL-MIMO As análises mostram que os modelos baseados na geometria representam com mais precisão um ambiente de propagação do que um modelo baseado na correlação; no entanto, a implementação dos modelos baseados em geometria apresenta mais desafios, devido à complexidade computacional desse modelo ser muito maior do que os modelos baseados em correlação de canais Para as análises de esquemas de combinação, a precisão da modelagem de canais é fundamental, pois pode garantir que o ambiente emulado (canal e sistema) garanta que o desempenho estimado seja próximo ao real Assim, ao avaliar os esquemas de combinação, comparamos o desempenho de acordo com os modelos de canais baseados em correlação versus geométricos Devido ao grande número de antenas nos dois sistemas (M-MIMO e XL-MIMO), os esquemas de combinação devem apresentar complexidade computacional muito baixa Assim, são avaliados os esquemas maximum-ratio combining (MRC), zero-forcing (ZF) e o regularized ZF (RZF), sendo o último modelado pelo algoritmo iterativo randomized Kaczmarz (rKA) Como resultado, todos esses esquemas têm baixa complexidade computacional; no entanto, um quarto esquema de alta complexidade chamado MMSE multicelular (M-MMSE) também é avaliado devido à eficiência espectral ilimitada apresentada na literatura, ou seja, é capaz de eliminar a contaminação piloto Esses esquemas são analisados quanto à eficiência espectal e energéticaItem Cognitive radio : spectrum sensing and optimal resource allocationClaudino, Lucas dos Santos Araujo; Abrão, Taufik [Orientador]; Durand, Fábio Renan; Brante, Glauber Gomes de OliveiraResumo: Redes de Rádio Cognitivo constituem uma tecnologia recente que busca fazer o uso otimizado do espectro de frequências, que jáestá super-utilizado Essa tecnologia oferece meios para portadores de licensa compartilhar sua banda de frequências com outros usuários para possibilitar o uso eficiente e também recerber certos benefícios em troca, como descontos ou aumento do tempo de validade da licensa Dado que essa tecnologia é relativamente recente, os seus estudos estão ainda incompletos e precisam de uma pesquisa mais aprofundada A fim de contribuir com a literatura, este trabalho trás importantes contrubuições para diferentes áreas do Rádio Cognitivo Primeiramente, várias técnicas de sensoriamento espectral como Filtro Casado, Sensor de Energia, Sensor de Razão de Hadamard ou Sensor de Valor Absoluto de Covariância são analisados Todos esses detectores são estudados e comparados de modo a oferecer ao leitor uma ampla visão sobre todas suas características, fraquezas e pontos fortes Após esse estudo, o sensor mais promissor é escolhido para ser aplicado em um cenário realístico de transmissão sem fio Escolheu-se o sensor de Razão de Hadamard, dado sua capacidade de prover altas taxas de detecção, baixa detecção errada ou alarme falso com um número necessário de amostras relativamente baixo A segunda parte desta Dissertação é baseada em técnicas de otimização não linear que buscam maximizar a soma das capacidades de uma rede de rádio cognitivo Uma MISO-CRN (Multiple-Input Multiple-Output Cognitive Radio Network) foi escolhida como arquitetura de aplicação e sua otimização foi divida em duas partes: cancelamento de interferência e alocação de potência Essa técnica é conhecida como Zero Forcing-Water Filing, e alcança a capacidade máxima de transmissão sob certas configurações de sistema e canal Além disso, esta pesquisa desenvolveu também uma aproximação prática para encontrar o número ótimo de usuários secundários ativos que proporcione a máxima capacidade da rede Essa é uma ferramenta muito útil, uma vez que pode prover uma maneira simples de escolha do número permitido de usuários secundários para um certo cenário Finalmente, técnicas de estimativa de canal aplicadas a redes de rádio cognitivo são estudadas A transmissão completa em banda-base equivalente é descrita, a qual inclui a transmissão de sequência piloto, a estimativa da matriz de canal e uso dessa estimativa para gerar a matriz ótima de precodificação Além disso, analisou-se o efeito da estimativa imperfeita do canal no sistema de transmissão com precodificação, na tentativa de se encontrar técnicas para superar esses problemas e melhorar o desempenho do sistema de comunicação com múltiplas antenasItem Comunicação em banda larga MIMO via rede elétrica aérea de média e alta tensão com retorno da corrente através do soloArns, Heitor Henrique Freire; Abrão, Taufik [Orientador]; Casella, Ivan Roberto Santana; Durand, Fábio Renan; Silva, Newton daResumo: Neste trabalho, estuda-se o uso da infraestrutura de redes elétricas aéreas de média (entre 1 kV e 36,2 kV) e alta tensão (acima de 36,2 kV) para comunicação em banda larga, método conhecido como comunicação via rede elétrica (Powerline Communications) (PLC) Inicialmente exploram-se duas formulações para a modelagem da linha de transmissão de energia elétrica em altas frequências que incluem o possível caminho da corrente pelo solo, de Carson e D'Amore A seguir são exploradas duas formas de modelar a função de transferência do canal de única entrada e única saída (Single-Input Single-Output) (SISO) para PLC de média e a alta tensão São usados os modelos por multipercurso, de Zimmermann e Dostert, e por matriz ABCD Realizam-se simulações comparativas, com intuito de conhecer o efeito das extensões das linhas principais e derivadas da rede na atenuação do canal Ao final, são elaboradas combinações lineares matriciais para obter um modelo determinístico do canal de múltiplas entradas e múltiplas saídas (Multiple-Input Multiple-Output) (MIMO) para PLC de média ou alta tensão com retorno pelo solo, o qual tem seu desempenho comparado ao canal SISO-PLCItem Confiabilidade de canal e decondificação eficiente em sistemas DS/ CDMA com codificação turbo e convolucionalOkano, Wagner; Abrão, Taufik [Orientador]; Jeszensky, Paul Jean Etienne; Durand, Fábio Renan; Pizolato Junior, José CarlosResumo: Este trabalho analisa dois aspectos associados aos sistemas DS/CDMA (direct sequence - code division multiple access) com codificação turbo (Turbo-DS/CDMA): a determinação do fator de confiabilidade de canal, sob diversas condições de operação do sistema, e a obtenção de estruturas de detecção com reduzida complexidade de implementação e desempenho otimizado São analisadas estratégias de codificação turbo e convolucional aplicadas ao problema da detecção uniusuário (SuD – single-user detection) e multiusuário (MuD – multiuser detection) em sistemas de múltiplo acesso DS/CDMA considerando canais de multipercurso com desvanecimento lento e seletivo em freqüência Propõe-se uma nova abordagem para a determinação da confiabilidade do canal DS/CDMA, obtida a partir dos resultados de desempenho de simulação Monte Carlo (MCS) Para a região de alta relação sinal-ruído (SNR – signal-noise ratio), comparações com resultados da literatura indicaram superioridade de desempenho utilizando a metodologia proposta, enquanto se manteve a similaridade de desempenho em relação aos resultados relatados na literatura para as regiões de baixa e média SNRs Sugere-se ainda a utilização de técnicas heurísticas na obtenção de estruturas de detecção com codificação convolucional de reduzida complexidade em relação ao detector convolucional DS/CDMA convencional Além disso, propõe-se uma ampla análise do compromisso complexidade/requisito de memória versus desempenho em receptores Turbo-DS/CDMA, considerando decodificadores turbo (no contexto do padrão CDMA2) e de Viterbi (no contexto do padrão IS-95) convencionais, além dos heurísticos, na tentativa de corroborar a eficiência da abordagem propostaItem Controle de potência em redes ópticas de multiplo acesso OCDMAStábile Filho, Moanir; Abrão, Taufik [Orientador]; Angélico, Bruno Augusto; Durand, Fábio Renan; Proença Junior, Mario LemesResumo: A utilização da técnica de acesso múltiplo por divisão de códigos (CDMA) em redes puramente ópticas foi proposta levando-se em consideração sua ampla largura de banda óptica O CDMA óptico é uma técnica que permite a múltiplos usuários compartilharem simultaneamente o mesmo canal de fibra de modo assíncrono, sem atraso e sem a necessidade de gerenciamento de recursos (scheduling) No entanto, os níveis de interferência de múltiplo acesso (MAI) são significativos nesses sistemas devido a natureza da detecção de potência à incoerente A redução desse efeito de interferência é crucial na melhoria de desempenho dos sistemas CDMA ópticos Neste sentido, propõe-se a utilização de mecanismos de alocação de recursos, particularmente de potência, que garantam a cada usuário um desempenho mínimo aceitável em termos de taxa de erro de bit (BER) Utiliza-se a estratégia do controle de potência centralizado e particionado (onde a rede óptica é dividida em rede de acesso e rede de broadcast) Neste trabalho, analisa-se o problema do controle de potência para redes ópticas CDMA particionadas (p-OCDMA), sob dois pontos de vista distintos: a) modelo matemático de crescimento populacional de Verhulst; b) abordagem heurística denominada inteligência swarm (PSO – Particle Swarm Optimization) Extensivas simulações e resultados numéricos indicaram que tanto o modelo de Verhulst quanto o PSO são adequados para resolver o problema do controle de potência em redes p-OCDMA, com resultados de convergência satisfatórios para uma variedade de cenários de operação para o sistema p-OCDMA Uma análise de complexidade, em termos de número de operações, é realizada no sentido de se obter um quadro comparativo mais realista para as duas metodologias de otimização, com indicativo de superioridade da abordagem analítica-interativa de Verhulst para o problema do controle de potência em redes p-OCDMA Finalmente, uma quarta análise é desenvolvida utilizando o modelo de Verhulst para o controle de potência óptica, considerando-se no entanto a adições dos efeitos da dispersão dos modos de polarização (PMD) e da dispersão da velocidade de grupo (GVD)Item Desempenho-complexidade em redes cooperativas amplifica e transmite com seleção de relaysSilva, Nathalia dos Santos; Abrão, Taufik [Orientador]; Casella, Ivan Roberto Santana; Durand, Fábio RenanResumo: Essa Dissertação estabelece uma análise sistemática dos principais métodos de seleção de relays em redes de comunicação sem fio cooperativas, tendo como métricas de avaliação a taxa de erro de bit (BER), a complexidade computacional, a Probabilidade de Outage e a Eficiência Energética (EE) Os métodos de seleção de relays analisados incluem: Máxima Média Harmônica, Máxima Média Generalizada, Max-Min, Maior Relação Sinal-Ruído (SNR) e Seleção Aleatória Tais escolhas se devem ao fato de serem métodos de seleção que possuem desempenho ótimo e/ou apresentarem baixa complexidade As figuras de mérito de comparação foram selecionadas conforme o objeto de análise por conterem informações essenciais à manutenção da qualidade do serviço (QoS) em redes de comunicação Este trabalho busca ainda estabelecer critérios para a otimização de recursos em redes cooperativas, particularmente busca-se a diminuição da complexidade no gerenciamento do sistema de comunicação como um todo, ao mesmo tempo que se considera desejável uma melhoria no tempo de vida da rede sem fio, em especial redes de sensores, sujeito a um desempenho mínimo das transmissões Por isso, considera-se fundamental a seleção de relay em redes cooperativas Foram considerados cenários realistas, modelados de forma que possibilitaram a alteração no esquema físico, com variação no número de hops e de links de diversidade, permitindo ao trabalho se adequar às particularidades da rede de sensores e com isso ter um viés de aplicabilidade prática dos tópicos discutidos Para descrição dos métodos e esquemas de transmissão utiliza-se de modelos matemáticos e análises de funções, e a quantificação é feita através de simulações computacionais empregando-se método Monte Carlo Essas simulações corroboraram as expressões analíticas já conhecidas e as derivadas neste trabalho Como resultado, obteve-se um quadro comparativo para: os principais métodos de seleção sob diferentes cenários e condições de operação da rede em relação à taxa de erro de bit e a complexidade computacional; o comportamento dos diferentes esquemas de transmissão com seleção de relays através da Probabilidade de Outage e da Eficiência Energética; e para as conjecturas sobre esquemas de transmissão mais adequados _a determinadas aplicações conforme pontos de melhor operação de cada esquemaItem Detecção de sinais por relaxação semidefinida em canais MIMOMussi, Alex Miyamoto; Abrão, Taufik [Orientador]; Jeszensky, Paul Jean Etienne; Angélico, Bruno AugustoResumo: Técnicas de comunicação baseadas em múltiplas antenas transmissoras e receptoras (MIMO - multiple input multiple output) têm sido cada vez mais exploradas tendo em vista a obtenção de sistemas de comunicação de alta capacidade e vazão, face ao cenário de escassez crescente de espectro Neste contexto, encontra-se a detecção de sinais por relaxação semidefinida (SDR - semidefinite relaxation) Dado a proibitiva complexidade (exponencial) do detector ótimo de máximaverossimilhança (ML - maximum likelihood), a estratégia de detecção sub-ótima SDR torna-se bastante promissora, principalmente quando a ordem de modulação e/ou o número de antenas transmissoras e receptoras crescem, devido ao desempenho muito próximo ao alcançado pelo detector ótimo ML, porém, realizada em tempo polinomial Inicialmente, este trabalho analisa o desempenho do detector SDR em canais MIMO face aos erros nas estimativas dos coeficientes de canal, avalia a melhoria de desempenho quando do uso da técnica de seleção de antenas, bem como também propõe combinar, de forma inédita, o uso da técnica heurística por busca local à técnica de otimização por relaxação semidefinida Em uma segunda etapa, este trabalho propõe uma nova estratégia híbrida de detecção, a qual combina a técnica de redução treliça (LR - lattice reduction) no estágio de pré-detecção ao uso do detector SDR na detecção de sinais MIMO Este detector MIMO híbrido denominado LR-SDR, torna-se promissor especialmente para configurações com elevadas ordens de modulação QAM (quadrature amplitude modulation) e número de antenas Uma extensa análise de desempenho e complexidade para o detector híbrido LR-SDR sob canais MIMO é desenvolvida, comprovando sua superioridade em termos do compromisso complexidade-desempenho sobre o detector SDR clássico, especialmente para cenários de elevada ordem de modulação, grande número de antenas Tx-Rx e erros nas estimativas de canalItem Detecção quase-ótima e diversidade em sistemas de comunicação móveisSuzuki, Isaque; Abrão, Taufik [Orientador]; Durand, Fábio Renan; Proença Junior, Mario Lemes; Pizolato Junior, José CarlosResumo: Este trabalho de investigação tem por objetivo analisar, quantificar e comparar o desempenho e a complexidade de detectores codificados e não-codificados quase-ótimos em sistemas de comunicação sem fio de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO - Multiple-Input Multiple-Output) Um esquema de detecção MIMO de mesmo desempenho do detector de máxima verossimilhança (ML - Maximum Likelihood), porém de menor complexidade baseado na identificação de padrões, denominado clusters, contitui uma das contribuições deste trabalho, tendo sido analisado teoricamente e caracterizado extensivamente por meio de resultados de simulação Monte Carlo Adicionalmente, o trabalho investiga esquemas de detecção MIMO quase-ótimos adequados para canais MIMO determinados e indeterminados Agregando-se a técnica de formação de sub-arranjos de antenas, combinada à codificação espaço-temporal quase ortogonal, foram especificadas estruturas de detecção MIMO cuja figura de mérito consistiu no compromisso desempenho-complexidade Tais análises foram conduzidas levando-se em conta tanto canais de comunicação sem fio derivados de variávies aleatórias independentes e identicamente distribuídas (iid - independent and identically-distributed), quanto canais descritos por meio do modelo de Jakes modificado com estimativas perfeitas e imperfeitas de canalItem Detecção sub-ótima em sistemas MIMOMostagi, Yuri Mendes; Abrão, Taufik [Orientador]; Durand, Fábio Renand; Scalassara, Paulo RogérioResumo: Em sistemas com múltiplas antenas no transmissor e receptor (MIMO -Multiple-input Multiple-output), ocorre a degradação do desempenho no processo de detecção convencional, o qual está baseado apenas no processamento do sinal em um único correlacionador; em seguida, o receptor convencional procede à comparação do sinal à saída do filtro casado com os possíveis símbolos da constelação, determinando assim, a informação transmitida estimada, uma vez que o detector convencional negligencia os demais sinais interferentes presentes no canal MIMO Esta degradação ocorre devido à combinação dos efeitos da interferência do sinal entre antenas e da possível correlação entre os sinais recebidos com desvanecimento, entre outros Assim, o receptor convencional torna-se ineficiente em sistemas que demandem alta vazão (throughput) de dados, por exemplo em sistemas MIMO no modo ganho de multiplexação, associado ao atendimento de qualidade de serviço (QoS) mais restritiva A solução proposta para resolver este impasse é a utilização do detector de máxima verossimilhança (MLD), o qual utiliza informações de todas as antenas de forma a melhorar o processo de detecção Porém, o detector ótimo é impraticável devido ao fato de sua complexidade aumentar exponencialmente em relação ao número de antenas e a ordem da constelação Assim, o foco de interesse deste trabalho são os detectores sub-ótimos de busca guiada para sistemas MIMO baseados na função de máxima verossimilhança (ML) Neste trabalho é realizada uma análise comparada do compromisso desempenho × complexidade e da robustez face aos erros de estimativa nos coeficientes de canal de detectores de busca guiada promissores, incluindo o Detector Esférico (SD), o detector baseado na decomposição QR combinado ao algoritmo M (QRD-M) e o Detector de Busca Gulosa (Greedy Search Detector - GSD) Adicionalmente, neste trabalho é proposto um detector híbrido combinando-se as características promissoras do SD e do QRD-M sendo este submetido à mesma análise dos outros detectores Finalmente, este trabalho propõe de forma inovadora o uso da técnica de Redução Treliça (LR - Lattice Reduction) combinado aos detectores MIMO analisados A técnica LR realiza uma transformação na matriz de canal, tornando-a mais próxima da ortogonalidade, o que permite a utilização de detectores menos complexos, como por exemplo o QRD-M com baixos valores de M, ou ainda proporciona a redução na complexidade final de detectores que exigem mais recursos de sistema, como o SDItem Detecção, alocação de potência e sensoriamento espectral em sistemas de comunicaçãoKobayashi, Ricardo Tadashi; Abrão, Taufik [Orientador]; Angélico, Bruno Augusto; Durand, Fábio RenanResumo: Ao longo deste trabalho, temas vinculados a sistemas com múltiplas antenas (MIMO - Multiple-Input Multiple-Output) e ao sensoriamento espectral em rádios cognitivos são abordados com o intuito de associá-los a um contexto contemporâneo em telecomunicações Inicialmente, o desempenho de uma série de detectores MIMO é avaliado para o uplink considerando-se canais correlacionados, provenientes da alta densidade de antenas advinda de sistemas MIMO de larga escala Sob tal cenário, alguns detectores MIMO, como o detector MMSE combinado ao cancelamento sucessivo de interferência ordenado (MMSE-OSIC), podem operar de forma bastante peculiar O detector MMSE-OSIC apresentou um comportamento inesperado e negativo proveniente da decomposição QR ordenada, que rendeu um estudo estatístico de tal decomposição almejando-se sanar as anomalias do detector afetado Outro assunto abrangido neste trabalho foi a distribuição de potência ótima em sistemas MIMO operando sob a técnica eigen-beamforming Em especial, o problema de alocação de potência para a BER ótima foi solucionado através das condições de KKT e da função W de Lambert, evitando-se o uso de métodos numéricos como os métodos da barreira ou da penalidade Adicionalmente, foi estudado os efeitos do assincronismo em sistemas MIMO massivo, dada a tendência dos sistemas de telecomunicação operarem em frequências cada vez mais elevadas (dezenas de GHz no contexto 5G) Neste contexto, verificou-se os efeitos do assincronismo no treinamento de canal, quer seja sobre o erro das estimativas, quer seja no desempenho final dos sistemas MIMO, dado o uso de sequências clássicas de treinamento como as de Walsh-Hadamard, Gold e Quaternária Por fim, este trabalho também lida com o sensoriamento espectral multi-banda através de um esquema proposto baseado no produto de wavelets Neste contexto, deu-se ênfase ao estudo e análise do sensoriamento de sinais OFDM realizado pelo método propostoItem Detectores de baixa complexidade para sistemas de comunicação CDMA com múltiplas antenasOliveira Junior, Reinaldo Götz de; Abrão, Taufik [Orientador]; Scalassara, Paulo Rogério; Angélico, Bruno AugustoResumo: Detectores subótimos de baixa complexidade para sistemas de comunicação equipados com única antena no transmissor e múltiplas antenas no receptor (SIMO) são analisados sob o ponto de vista do compromisso desempenho-complexidade Como contribuição, nesta Dissertação é proposta e extensivamente caracterizada uma topologia de detecção multiusuário híbrida baseada na expansão polinomial (PE-MuD - Polynomial Expansion Multiuser Detector), com estimação do parâmetro a determinada pelo Teorema dos círculos de Gerschgorin (GCT - Gerschgorin Circles Theorem), seguido por um procedimento de busca local de baixa complexidade para sistemas SISO e SIMO DS/CDMA Resultados numéricos de simulação confirmam um ganho substancial no compromisso desempenho-complexidade para o detector híbrido PE-LS-MuD, em relaçãao aos detectores lineares clássicos, particularmente o detector baseado na minimização do erro quadrático médio (MMSE - Minimum Mean-Squared Error), evidenciando a potencialidade do detector híbrido PE-LS-MuD proposto para integrar soluções tecnológicas em sistemas de comunicação sem fio de quarta geraçãoItem Efficient detection : from conventional Mimo to massive Mimo communication systemsNegrão, João Lucas; Abrão, Taufik [Orientador]; Scalassara, Paulo Rogério; Durand, Fábio RenanResumo: Ao longo deste trabalho, problemas relacionados aos sistemas de comunicação equipados com múltiplas antenas no transmissor e receptor (MIMO - Multiple- Input Multiple-Output) são analisados sob o ponto de vista de detecção clássica, da otimização não-linear, bem como da pré-codificação linear, desde MIMO convencional (algumas antenas no Tx e Rx) até sistemas MIMO de larga-escala (massivo) Inicialmente, a eficiência de detecção de vários detectores MIMO foi analisada sob a prerrogativa de canais altamente correlacionados, situação em que sistemas MIMO apresentam elevada perda de desempenho, além de, em alguns casos, uma crescente complexidade Diante deste cenário, foi estudado especificamente o comportamento em termos do compromisso complexidade x taxa de erro de bits (BER - Bit Error Rate), para diferentes técnicas de detecção, como o cancelamento de interferências sucessivo (SIC), redução treliça (LR), bem como a combinação de cada uma destas às técnicas lineares de detecção Nessa análise, também foram considerados diferentes estruturas de antenas uniformes com arranjos geométricos lineares (ULA - uniform linear array) e de arranjo planar (UPA - uniform planar array) em ambos transmissor e receptor Além disso, também foram considerados diferentes número de antenas e ordem de modulação Em seguida, o problema de detecção MIMO foi estudado sob uma perspectiva de otimização não-linear, visando especificamente alcançar o desempenho ótimo Foi analisada a solução de detecção com relaxação semi-definida (SDR - semi- definite relaxation) O detector SDR-MIMO é uma abordagem eficiente capaz de atingir o desempenho muito próximo ao ótimo, especialmente para baixas e médias ordens de modulação Concentramos nossos esforços no desenvolvimento de uma aproximação computacionalmente eficiente para o algoritmo de detecção de máxima verossimilhança (ML - Maximum Likelihood) MIMO baseado na programação semi-definida (SDP - Semidefinite Programming) para as constelações M-QAM Finalmente, estuda-se um problema de alocação de potência com o objetivo de maximizar a capacidade de um canal de broadcasting MIMO massivo em uma única célula equipada com pré-codificação forçagem à zero (ZFBF - zero-forcing beamforming) e inversão de canal regularizado (RCI - regularized channel inversion) na estação rádio base (BS) Nosso objetivo é investigar esse problema considerando um sistema massivo no limite, ou seja, quando o número de usuários, K, e antenas na BS, M, tendem ao infinito porém com uma razão constante, ß = K M Primeiramente deriva-se a relação sinal-interferência mais ruído (SINR) para ambos os pré-codificadores escolhidos Em seguida, investiga-se um esquemas de alocação de potência ótimo que maximiza a soma das capacidades por antena sob uma restrição de potência máxima disponível, conclui-se que o problema é convexo e que a alocação de potência ótima segue a estratégia de watter-filling (WF) Também estudou-se o problema relacionado à alocação de potência em um grupo finito de usuários separados em grupos e determinou-se o impacto desse esquema na capacidade total do sistemaItem Fault detection, reliability, efficiency and random access in smart grid systemsLabrador Rivas, Angel Esteban; Abrão, Taufik [Orientador]; Rocha, Helder Roberto de Oliveira; Marinello, José Carlos; Panazio, Cristiano Magalhães; Santo, Silvio Giuseppe DiResumo: Smart Grid (SG) é um conceito multidisciplinar que implica informação em tempo real com requisitos específicos de comunicação A confiabilidade do sistema depende das melhores capacidades de monitoramento e controle da rede, e nesse quesito as tecnologias de comunicação são fundamentais Considerando a detecção e classificação de falhas um fator crucial para a confiabilidade do SG, a primeira parte deste trabalho apresenta uma revisão sistemática sobre a infraestrutura de detecção e classificação de falhas em SG, incluindo suporte à comunicação SG, bem como a classificação dos trabalhos relevantes de última geração encontrados nos bancos de dados de pesquisa mais significativos Assim, foi proposta uma técnica adaptativa para o monitoramento confiável de distorções harmônicas na rede elétrica Conclusivamente, uma análise de compensação de complexidade de desempenho demonstrou as (des)vantagens de cada método de filtragem A segunda parte desta tese destaca a importância dos protocolos de acesso aleatório (RA) existentes e futuros para dispositivos de comunicação massiva de micro Smart Grid (m-SGC) e desempenho do sistema Propõe-se um novo e aprimorado protocolo RA ALOHA (RapIRSA) com repetição irregular aprimorado para responder melhor aos requisitos críticos de QoS de alta confiabilidade sob uma perspectiva de comunicações 5G, abordando possíveis desafios na implementação do protocolo RA proposto Ainda sob a perspectiva da comunicação, investiga-se o problema da pré-codificação distribuída para a maximização da eficiência energética (EE) em uma rede MIMO uplink (UL) multiusuário auxiliada por superfícies refletoras inteligentes (RIS) assumindo estações radio-base (BS) com múltiplas antenas e terminais de usuário (UTs) também com múltiplas antena Implementamos uma técnica de otimização baseada em Manifold Particle swarm optimization PSO para resolver a maximização de EE não-convexa Mostra-se que a estrutura proposta aumenta significativamente os valores de EE do sistema em comparação com esquemas de pré-codificação não otimizados, pré-definidos Por fim, apresenta-se as conclusões e trabalhos futuros prospectivosItem Filtragem de partículas na estimação dos parâmetros de canais rádio móvelRibeiro, Rafael de Oliveira; Abrão, Taufik [Orientador]; Durand, Fábio Renand; Angélico, Bruno Augusto; Casella, Ivan Roberto SantanaResumo: Este trabalho analisa os principais métodos de reamostragem associados à técnica da estimação Bayesiana por Filtragem de Partículas (Particle Filter), tendo em vista o desenvolvimento de eficientes estimadores de parâmetros de canal em sistemas de comunicação sem fio O trabalho procura estabelecer uma classificação para os métodos de reamostragem segundo o critério de compromisso desempenho × complexidade Discutem-se aspectos de implementação computacional e de desempenho dos estimadores de canal (módulo e fase dos coeficientes) rádio móvel utilizando a técnica Bayesiana por Filtragem de Partículas (PF), especificamente aqueles aplicáveis a sistemas e redes de comunicação DS/CDMA sujeitos a canais com desvanecimento Rayleigh e à interferência de múltiplo acesso (MAI) Resultados de simulação indicaram que o estimador PF do tipo bootstrap é capaz de prover valores para a raiz quadrada do erro quadrático médio (RMSE) no intervalo [1-3; 1-2] para uma ampla faixa, tanto de relação sinal-ruído (SNR) de pré-deteccão, quanto de relação sinal-ruído mais interferência de múltiplo acesso (SINR), sendo ainda bastante robusto ao efeito near-far (NFR) O desempenho e a complexidade do estimador Bayesiano por Filtragem de Partículas foram avaliados e comparados sob diferentes sistemas e configurações de comunicação, incluindo o DS/CDMA, MC-CDMA e canais MIMOItem Localização, pré-distorção, pré-equalização e mitigação do crosstalk em sistemas VLC-OFDMMathias, Luis Carlos; Abrão, Taufik [Orientador]; Laureto, Edson; Casella, Ivan Roberto Santana; Marinello Filho, José Carlos; Scalassara, Paulo RogérioResumo: A multiplexação por divisão de frequências ortogonais (OFDM) tem sido amplamente aplicada em sistemas de comunicação por luz (VLC) devido às características de eficiência espectral e de combate à interferência intersimbólica e à seletividade do canal Neste paradigma, a primeira parte desta tese aborda de forma original a integração da funcionalidade da localização indoor de um receptor móvel ao sistema OFDM-VLC Para isto, utiliza o esquema OFDM com óptica espacial, possibilitando a discriminação dos sinais ópticos capturados no receptor que foram transmitidos pelos diversos diodos emissores de luz (LEDs) a partir da infraestrutura de iluminação Foram analisados via simulação numérica e de forma extensiva o estimador por ângulo de chegada (AoA), o estimador por intensidade do sinal recebido (RSS) e algumas de suas variações Utilizando o resultado da estimação por AoA ponderado como ponto inicial de busca do estimador por RSS, foi possível o aumento da probabilidade de convergência, redução da raiz quadrada do erro quadrático médio (RMSE) e número de iterações Também é avaliada a complexidade computacional dos estimadores analisados Um melhor fator de clipping é obtido através da análise da precisão do localizador e da capacidade de transmissão de dados Por fim, os resultados numéricos demonstraram eficácia, robustez e eficiência da arquitetura proposta A segunda parte desta tese propõe uma arquitetura original com um esquema de pré-distorção digital para a correção da não linearidade do LED, acrescido de um esquema de pré-equalização para a mitigação do efeito de seletividade em frequência do conjunto transmissor LED mais fotorreceptor Os dois esquemas apresentados utilizam de uma mesma realimentação luminosa que é realizada por um dispositivo receptor auxiliar acoplado à luminária Deste modo, todo o processamento do sinal envolvido é realizado no transmissor não exigindo overhead Mediante o desenvolvimento de um arranjo experimental automatizado, confirmou-se o efeito da não linearidade do LED em função da temperatura, corroborando a pertinência e eficácia da proposta Por fim, ao permitir a linearização do sinal de luz transmitido e a manutenção de uma relação sinal-ruído média em nas subportadoras OFDM, a melhoria de desempenho da taxa de erro de bit (BER) é confirmada, tanto numericamente, como pelo arranjo experimental dedicado desenvolvido A terceira parte desta tese propõe um esquema de mitigação do efeito crosstalk gerado pela sobreposição espectral de canais VLC obtidos por multiplexação por comprimento de onda (WDM) O crosstalk degrada a performance do sistema WDM devido os canais adjacentes gerarem interferência no canal de interesse O sistema WDM constituído por uma tríade de LEDs transmissores de cores vermelho-verde-azul e seus respectivos filtros de cores no receptor VLC é modelado, sendo os seus parâmetros estimados pelo sistema proposto, permitindo a mitigação deste efeito mediante a aplicação de um equalizador por forçagem a zero Tais parâmetros também foram estimados mediante medições do comportamento espectral de emissão dos LEDs e dos filtros ópticos utilizados Ademais, o sistema foi simulado numericamente demonstrando efetividade mediante avaliações da BER, sob diferentes ordens de modulação M-QAM nas subportadoras OFDMItem Machine learning applied to cooperative spectrum sensing in cognitive radiosTavares, Caio Henrique Azolini; Abrão, Taufik [Orientador]; Proença Junior, Mario Lemes; Marinello Filho, José CarlosResumo: Nesta Dissertação discute-se a tarefa de sensoriamento espectral cooperativo em rádios cognitivos baseada em ferramentas estatísticas e de aprendizado de máquina Considerando o uso de detectores de energia nos usuários secundários (SU), compara-se a aplicação de diferentes ferramentas de tomada de decisão como forma de combinar o nível de energia obtido em cada SU Através de análise estatística do nível de energia, o modelo proposto Weighted Bayesian combina as probabilidades a posteriori de ocupação de canal obtidas em cada SU, ponderadas pela respectiva taxa de sinal-ruído (SNR), de forma a obter uma decisão que, por sua vez, é transmitida de volta aos usuários secundários Com o objetivo de suprimir a necessidade de obter e transmitir o nível de SNR nos SUs, compara-se a aplicação de três modelos de aprendizado de máquina, a saber naive Bayes, rede neural feed-forward e máquina de vetor de suporte (SVM), como forma de estimar a probabilidade a posteriori de ocupação do canal baseada somente no nível de energia e um conjunto de treinamento Resultados numéricos mostraram que todos os três modelos obtiveram uma performance próxima da ótima definida pela técnica maximum ratio combining, especialmente a técnica SVM com kernel linear Por fim, o objetivo desta Dissertação é prover uma análise abrangente de diferentes técnicas de tomada de decisão em cenários realistas de sensoriamento espectral cooperativo, considerando a complexidade computacional de se treinar modelos de aprendizado de máquinaItem Métodos eficientes de detecção/equalização para sistemas de comunicação sem fio multiportadorasGuerra, David William Marques; Abrão, Taufik [Orientador]; Marinello Filho, José Carlos; Panazio, Cristiano MagalhãesResumo: Neste trabalho são abordados temas relacionados a sistemas multiportadoras com múltiplas antenas (MIMO { Multiple-Input Multiple-Output) sob condições operacionais específicas e realistas nesse contexto Primeiramente, a combinação da multiplexação por divisão de frequências ortogonais (OFDM { Orthogonal Frequency Division Multiplexing) com sistemas MIMO é analisada extensivamente, com o objetivo de alcançar uma boa relação de compromisso entre desempenho e complexidade computacional Sob essa óptica, abordagens de detecção MIMO-OFDM lineares e heurísticas foram avaliadas, dentre elas: ZF, MMSE, PSO e DE Os detectores baseados em algoritmos heurísticos apresentaram um desempenho bastante superior quando comparados aos detectores lineares convencionais No entanto, a heurística necessita de uma calibração dos parâmetros bastante minuciosa e sistemática, a qual também é discutido nesse trabalho Outro obstáculo encontrado na utilização de algoritmos heurísticos para o problema da detecção MIMO-OFDM é sua elevada complexidade computacional Portanto, esse problema foi investigado com o intuito de se obter possíveis soluções para sanar essa adversidade Além disso, é feito um estudo criterioso de banco de filtros multiportadoras (FBMC { Filter Bank Multicarrier), estrutura que possui uma potencial implementabilidade em sistemas da 5ª geração de telecomunicações (5G) Nesse tema, o foco da pesquisa se concentrou em estruturas de equalização MIMO-FBMC multi-tap, as quais apresentam grandes vantagens para esse tipo de sistema