[pt] A atenuação por chuva é a causa principal de indisponibilidade em enlaces terrestres de rádio operando em frequências acima de 10 GHz. Devido às condições adversas de propagação, técnicas de mitigação de desvanecimentos são necessárias. Para desenvolver e otimizar estas técnicas, é preciso conhecer a distribuição cumulativa de atenuação por chuva e o comportamento dinâmico do canal de propagação, em termos das estatísticas de duração de desvanecimentos e de fade-slope. Esta necessidade é preenchida pelo uso de séries temporais que introduzem a deterioração da propagação nos sistemas de simulação. Estas séries podem ser de dados experimentais ou dados sintetizados que considerem as características climatológicas da região do enlace e os parâmetros geométricos e de propagação do mesmo. Três modelos para sintetização de séries temporais de longo prazo de atenuação por chuva são apresentados e testados neste trabalho utilizando dados medidos em cinco enlaces terrestres operando na faixa de frequência de 15 GHz. O primeiro modelo foi originalmente desenvolvido para enlaces satélite em climas temperados enquanto o segundo é uma versão modificada, proposta neste trabalho para enlaces terrestres em áreas tropicais. O terceiro modelo é proposto neste trabalho com base numa modelagem estatística da atenuação por chuva através da distribuição Gamma. Séries temporais foram sintetizadas pelos três modelos e suas estatísticas foram comparadas com as estatísticas dos dados experimentais. Os três modelos apresentam bons resultados em diversas situações analisadas, mas o terceiro modelo proporciona resultados significativamente melhores para distribuições de atenuação e fade-slope. / [en] Rain attenuation is the main cause of unavailability in fixed terrestrial radio systems operating at frequency of above 10 GHz in tropical areas. Propagation impairments are expected to be quite severe in these regions. Due to these adverse propagation conditions, Fade Mitigating Techniques (FMT) are often needed. To design and optimize FMT, the knowledge of the cumulative distribution of rain attenuation and of the dynamic behavior of the propagation channel, as provided by fade durations and fade slope statistics, is required. This need can be fulfilled by the introduction of time series of propagation impairments in system simulation. If real data collected from propagation experiments are not available, typical fading time-series may be generated making use of climatologic characteristics as well as geometrical and radiowave parameters of the link. Three models for long-term rain attenuation time series synthesizers are presented and tested in this work using data measured in five terrestrial radio links operating at 15 GHz. The first one was originally developed for satellite systems in temperate climates whereas the second one is a modified version proposed in this work for terrestrial links in tropical areas. A third model is proposed in this work and is based on a different approach using the Gamma distribution. Time series were synthesized by the three models and stationary and dynamic statistics between synthesized and experimental data were compared. The first two models provide good results in some cases but the third model provides significantly better results for cumulative distributions of attenuation and fade-slope.

[pt] Com a crescente utilização de sistemas de acesso sem fio ponto-multiponto em banda larga, operando em freqüências cada vez mais elevadas, cresce também a necessidade do desenvolvimento de novos modelos, mais precisos e consistentes, para a previsão da atenuação por chuvas, principal efeito da propagação em freqüências superiores a 10 GHz. Este trabalho apresenta uma modelagem semi-empírica para a previsão do comportamento estatístico da atenuação por chuvas em enlaces rádio terrestres ponto-a- ponto e via satélite. Os modelos foram desenvolvidos com base em resultados de medições conjuntas de taxa de precipitação e atenuação por chuvas em diversas regiões do Brasil, realizadas no período de desenvolvimento deste trabalho, além de medidas de várias partes do mundo, disponíveis no banco de dados de propagação da União Internacional de Telecomunicações (UIT-R). Os modelos desenvolvidos permitem obter a distribuição cumulativa de probabilidades da atenuação por chuvas a partir da distribuição da taxa de precipitação medida ou estimada na região do enlace. Embora existam diversos modelos propostos na literatura para previsão da atenuação em enlaces terrestres ou em enlaces via satélite, duas características importantes não são encontradas, conjuntamente, na maioria deles: utilizar, como base para a previsão, a distribuição da taxa de precipitação em toda a faixa de percentagens de tempo de interesse, e não apenas em um ou dois pontos; e manter consistência entre os modelos para os casos terrestre e via satélite. Além não de atender a estes requisitos, os modelos propostos apresentam erros de previsão menores ou equivalentes aos dos principais modelos da literatura, quando testados contra os resultados disponíveis de medidas em enlaces reais. / [en] The development of new technologies for broadband wireless access, using increasingly higher frequencies, points to the necessity of more accurate methods for rain attenuation, that represents the most serious impairment for radio systems operating in frequencies above 10 GHz. This work presents semi-empirical models for the prediction of rain attenuation in terrestrial and satellite links. The models were developed using data obtained in concurrent measurements of rain attenuation and point rainfall rate in different regions of Brazil. Some of these measurements were performed as part of this work and some were already available from previous measurements campaigns. Data available in the UIT-R data banks of propagation measurements were also used, in order to develop global methods. The models that have been developed allow the prediction of the cumulative probability distribution of rain attenuation from the cumulative distribution of point rainfall rate in the region of the link. Although several methods with these purpose can be found in the technical literature, the ones developed in this work present some important features that are not found, as a whole, in any of those models: they use the full rainfall rate distribution over the entire range of time percentages of interest; the terrestrial and satellite models are consistent, that is, the elements used in the terrestrial prediction model are kept in the satellite prediction model that involves a mor complex geometry. Besides that, the models proposed show an excelent performance in terms of prediction error, when compared with measured data.

[pt] A óptica de espaço livre (FSO), inicialmente estudada na década de 60, está atraindo atenção no contexto dos sistemas 5G+, que exige tecnologias de back-hauling sem fio com taxas de dados extremamente altas em distâncias de poucos quilômetros. A atual falta de um modelo global de perda de percurso para FSO motiva o estudo do comportamento do enlace óptico sob diferentes condições atmosféricas. Esta tese trata do desenvolvimento de modelos para prever a atenuação devido a neblina e chuva para projetar enlaces FSO em tecnologias 5G e além. Estudamos os bancos de dados de medições de superfície disponíveis em todo o mundo como referência para analisar as respostas do FSO considerando os dados disponíveis de longo prazo e descobrimos que o maior impacto na visibilidade em todo o mundo é causado por neblina, neve e chuva. Assim, selecionamos neblina e chuva como o foco deste estudo. Vários modelos de perda de percurso, baseados na visibilidade, são avaliados através de uma abordagem analítica. Propomos modelos de limite inferior e superior para estimar a atenuação específica devido ao nevoeiro considerando incertezas quanto à sensibilidade da atenuação específica, gama, em função da visibilidade em 1.550 micrômetros e o melhor ajuste aos resultados do modelo microfísico. Com relação à atenuação causada pela chuva, estudamos modelos disponíveis na literatura para enlaces de micro-ondas e os modificamos para aplicação em enlaces FSO. Quando os efeitos de espalhamento múltiplo são considerados, foi encontrada uma redução significativa na atenuação da chuva. Construímos a partir dos modelos, um método para combinar estatisticamente a atenuação em enlaces FSO causada por diferentes condições climáticas. O desempenho dos enlaces ópticos é avaliado em termos do máximo comprimento do enlace em relação à disponibilidade sob quatro condições climáticas: (i) somente chuva, (ii) somente neblina, (iii) chuva e neblina, e (iv) e todas as condições. Finalmente, eventos experimentais para os enlaces FSO e mmWave implementados no campus Leonardo do Politecnico di Milano são classificados e analisados dependendo do efeito atmosférico estudado: chuva estratiforme, chuva convectiva, chuva leve, vento, neblina pesada, neve e outros. / [en] Free-space optics (FSO), initially studied in the 60s, is attracting attention in the frame of 5G+ systems, which demands wireless back-hauling technologies with extremely high data rates over distances up to a few kilometers. The current lack of a global path loss model for FSO motivates studying the optical link s behavior under different atmospheric conditions. This thesis deals with the development of models for predicting the attenuation due to fog and rain for designing FSO links in 5G and beyond technologies. We study extensive surface measurement databases worldwide as a benchmark for analyzing FSO responses considering available long-term data. We find that the highest impact on visibility worldwide is caused by fog, snow, and rain. Thus, we select fog and rain as the focus of this study. Several path loss models based on visibility are assessed. We propose lower and upper-bound models to estimate the specific attenuation, gamma, due to fog which considers uncertainties as the sensitivity of gamma to the visibility at 1.550 µm and a micro-physical model of fog. Regarding attenuation caused by rain, we study models available in the literature for microwave links and modify them for application to FSO. When the multiple scattering effects are considered, a significant reduction in the rain attenuation has been found. From the findings, we build a method to statistically combine the attenuation effects on FSO caused by different weather conditions. The performance of FSO links is assessed in terms of the maximum link range against availability under four weather conditions: (i) rain only, (ii) fog only, (iii) rain and fog, and (iv) all conditions. Finally, experimental events for FSO and mmWave links implemented at Leonardo Campus of Politecnico di Milano are classified and analyzed depending on the studied atmospheric effects: stratiform rain, convective rain, light rain, wind, heavy fog, snow, and others.

[pt] O principal efeito causador de indisponibilidade em sistemas de rádio comunicações com freqüências superiores a 10 GHz é a atenuação por chuvas, especificamente a chuva convectiva, que é predominante em climas tropicais. Nesta tese será realizado o estudo e modelagem do comportamento dinâmico da atenuação por chuvas em enlaces terrestres e via satélite, com base em medidas realizadas no Brasil. Os aspectos dinâmicos da atenuação relacionam-se com as funções de distribuição de probabilidade de três variáveis aleatórias: a taxa de variação da atenuação com o tempo, o número de eventos em que um certo nível de atenuação é excedido e as durações individuais destes eventos. Em outras palavras, trata-se de problema de cruzamento de níveis aplicado à série temporal da atenuação. Ao contrário da distribuição cumulativa da atenuação, da qual informação que pode ser efetivamente retirada é limitada, a análise estatística de cada nível de atenuação, em separado, provê uma completa caracterização do fenômeno da atenuação servindo de base para aplicações tais como a construção de técnicas adaptativas de controle de ganho, metodologias de adaptação do sinal por códigos, modulações ou taxas de bits e a elaboração de esquemas de diversidade de rotas, espaço, sítio ou tempo. Utilizando o banco de dados de medidas de atenuação por chuvas em regiões tropicais e equatoriais brasileiras, obtido em medidas realizadas em seis localidades, tanto em enlaces terrestres como via satélite, foram analisados neste trabalho os comportamentos estatísticos da taxa de variação temporal da atenuação e da duração de eventos. Foi tratado, ainda, o problema do cruzamento de níveis aplicado ao conceito de disponibilidade. A informação obtida a partir dos resultados da análise dinâmica pode ser usada, como já mencionado, no tratamento de vários problemas fundamentais do projeto de sistemas de comunicações. A tese tem, também, como objetivo, contribuir para o aumento da base mundial de dados da análise da dinâmica da atenuação, principalmente em climas tropicais e equatoriais, onde tais dados são bastante escassos. / [en] The main effect causing non-availability in radio communication systems operating in frequencies above 10GHz, is the rain attenuation, particularly the heavy convective rain that is predominant in tropical regions. This thesis presents a detailed study and modelling of the dynamics of rain attenuation in terrestrial links and earthspace links, based on data obtained in long-term experimental measurements in Brazil. The dynamic aspects of rain attenuation can be described by probability distribution functions of three variables: the rate of change of the attenuation with time (fade slope), the number of events of a certain level of attenuation to be exceeded and the individual duration of these events. In other words, the level crossing applied to the attenuation time series. In contrast to the cumulative distribution of the attenuation, from which limited information can effectively be obtained, the separate statistical analysis of each level of attenuation can provide a complete understanding of the phenomenon, allowing the development of adaptive power control techniques, methods for signal adaptation using codes, modulation or bits rate and the design of spacial, routing, site and time diversity strategies. The work is based on rain attenuation data measured in terrestrial and earth-space links operating at frequencies above 10 GHz in 6 Brazilian locations. The study includes the analysis and modelling of the statistical behaviour of the rate of variation of the attenuation with time and the event durations. Also considered, is the level crossing problem applied to the availability concept. As mentioned, the information obtained from the dynamic analysis results and modelling can be used for the treatment of various fundamental problems in the radio communication system project. A contribution to increase the database of dynamic attenuation mainly in tropical and equatorial climates, where data is scarce, is also a result of this thesis.

[pt] O efeito da atenuação por chuvas em enlaces satélites que operam em frequências acima de 10 GHz é decisivo no cálculo de desempenho do sistema. A evolução da tecnologia dos sistemas satélite e a necessidade de expansão dos serviços de comunicações móveis pessoais levaram ao uso de sistemas de comunicação com satélites de órbita baixa. Estes sistemas são particularmente interessantes para o oferecimento destes serviços por suas características de pequeno atraso de propagação e uso de potência de transmissão mais baixas que os sistemas geoestacionários. Satélites em órbita baixas (LEO) operam em altitudes de cerca de 1000km e possuem movimento em relação à estação terrena. Esta característica de mobilidade traz novas questões sobre o comportamento da atenuação por chuvas, em particular a necessidade de um modelo de previsão de atenuação para estes enlaces com ângulo de elevação variante no tempo. Neste trabalho um modelo para a previsão de atenuação em enlaces com ângulo de elevação fixo, mais preciso do que os existentes na literatura técnica, foi desenvolvido como primeiro passo para o tratamento do problema de enlaces com ângulo de elevação variável. A seguir foi feita uma simulação de medidas em enlaces LEO a partir do banco de dados de medidas de atenuação em enlaces fixos no Brasil, considerando um modelo de constelação de satélites. Foi implementado um método geral que utiliza o histograma dos ângulos de elevação do satélite como ponderação da distribuição cumulativa de atenuação em cada ângulo. O método foi testado contra os resultados obtidos com simulações para a constelação Globalstar sendo obtida muito boa concordância entre o modelo de predição desenvolvido e a simulação. / [en] Rain attenuation is the most important propagation effect to be taken into account in the performance calculation for satellite systems operation at frequencies above 10 GHz. The technological evolution of such systems and the need for personal communication systems with global coverage lead to the use of low earth orbit communication systems, that not only have shorter propagation delays but also allow the use of lower transmission power than the traditional geostationary systems. Low earth orbit (LEO) satellites have altitudes around 1.000 Km and are in motion relatively to the earth stations. This mobility requires a new approach to the problem of rain attenuation prediction, particularly the need for a prediction model that takes into account the elevation angle variability. In this work, an improved rain attenuation prediction method for the geostationary case has been developed as a starting point for the analysis of the nongeostationary case. Then, the rain attenuation in the a LEO system has been simulated using measured data from fixed system systems and the satellite constellation model. A general method for slant path rain attenuation prediction considering variable elevation angles is proposed. The method uses the histogram of the elevation angles to weight the distributions obtained for fixed elevation. The method has been tested with simulations performed for the Globalstar LEO system and a very good agreement was obtained.

[pt] A pesquisa analisou o material concreto permeável visando a sua aplicação como revestimento de pavimentos permeáveis para atenuação de cheias urbanas. Desta maneira, diversas misturas foram estudadas experimentalmente, objetivando determinar suas características hidráulicas e mecânicas. Com base nos resultados experimentais e no uso pretendido em calçadas, foi definida a mistura mais adequada. A fim de analisar o impacto desta solução no escoamento superficial, foi escolhida a bacia hidrográfica do Rio dos Macacos localizada no Bairro Jardim Botânico no Rio de Janeiro a qual apresenta problemas recorrentes de inundação. Em função das características da bacia e em critérios mecânicos e hidráulicos do pavimento permeável de concreto, foram escolhidas as áreas para a sua aplicação e opavimento foi dimensionado. A bacia estudada foi modelada com auxílio dosoftware Storm Water Management Model para os cenários antes e após a aplicação dos pavimentos permeáveis de concreto em calçadas. Por fim, foi estimado o custo direto da solução proposta. Os resultados do estudo experimental do concreto permeável demonstraram que o material possui permeabilidade e resistências mecânicas adequadas para aplicação em calçadas. Os resultados do modelo computacional, obtidos através da comparação de hidrogramas de cheia, evidenciaram satisfatório amortecimento. A análise de custo demonstrou que a solução é economicamente viável. / [en] New techniques of urban drainage have emerged in order to mitigate the negative effects of urbanization. Initially, in the United States in 1970 denominated Best Management Practices (BMPs) and then in United Kingdom in 1980 as Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS). The goal of these techniques is to reproduce the natural hydrological cycle, mitigating flood peaks and reducing diffuse pollution through infiltration, retention and transport devices such as green roofs, percolation trenches and pervious pavements. (Canholi, 2014). Unlike traditional pavements, pervious pavements allow the infiltration of rainwater on the surface. The infiltrated water is stored temporarily before use, infiltration into the soil, or downstream controlled discharge. According to Field et al (1982) and Mullaney and Lucke (2013), all types of pervious pavement share the same objectives, which are: to allow the infiltration of water on its surface; reduce the increase in the rate and volume of runoff; and improve degradation of water quality resulting from urbanization and land use change. Depending on the soil permeability, they still have the advantage of allowing the recharge of the aquifers.

[pt] O crescente interesse na utilização das redes de distribuição de energia elétrica como uma alternativa para o fornecimento de serviços de telecomunicações, tem motivado a pesquisa e o desenvolvimento de sistemas capazes de superar as características hostis deste ambiente como canal de comunicação. Com esta finalidade, este trabalho procura estimar o comportamento da rede PLC através da modelagem da função de transferência do canal, para a faixa de freqüência de 300 kHz a 30 MHz, por meio de um conjunto de parâmetros, os quais podem ser deduzidos da medição da resposta em freqüência. Dois modelos são apresentados para descrever a resposta em freqüência complexa de típicos canais power line, cobrindo todos os efeitos que os caracterizam, tais como o efeito de propagação por multipercursos causado pelas inúmeras reflexões nas junções da rede e o desvanecimento seletivo em freqüência. Os experimentos revelam que estes modelos apresentam todas as características principais da rede PLC podendo representar ferramentas úteis e efetivas na prática, oferecendo a possibilidade de realizar pesquisas para diferentes topologias de rede, a fim de estudar seu impacto no sistema de comunicação pela rede de energia elétrica. Além disso, propõem-se modelos de ajuste da função de transferência do canal a dados empíricos pelo método dos mínimos quadrados. / [en] The crescent interest on the utilization of the low voltage power distribution grid as an alternative to provide services of telecommunication has motivated the systems development able to surpass the hostile characteristics of this environment as a communication channel. Therefore, this work seek to estimate the behavior of PLC network (Power Line Communication) through the modelling of the channel transfer function, to the range of 300 kHz to 30 MHz, by means of a set of parameters, which can be derived from the measure of the frequency response. Two models are presented to describe the complex frequency response of power line channels, covering all effects that define them, for example, the multipaths propagation generated by uncountable reflections on the network connections and selective fading in the frequency. The results of experiments show that these models present the most important characteristics of PLC network, representing useful and effective tools in the practice, offering the possibility to do researches to different network topologies, in order to study the impact of these effects on the PLC system. Moreover, they`re proposed channel transfer function adjustment models through empiric data and the least square method.

[pt] O presente trabalho apresenta um estudo experimental da distribuição da fuligem e de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH) em chamas laminares não pré-misturadas de etileno e ar, mediante o uso de técnicas de diagnóstico espectroscópico, num queimador tipo co-flow. Para este fim são aplicadas as técnicas de fluorescência induzida por plano laser e incandescência induzida por plano laser, com excitação no espectro ultravioleta. Bandas espectrais de detecção centradas em 340, 400, 450, 500, 550 nm são empregadas para caracterizar diferentes PAH, aproveitado o fenômeno do deslocamento do espectros de fluorescência para o infravermelho, conforme se incrementa sua massa molecular. A técnica de extinção laser é utilizada para calibrar os resultados de incandescência e obter a fração volumétrica de fuligem. A radiação espontânea emitida pela fuligem é utilizada para medir a temperatura pela técnica de termometria em duas cores. A comparação dos resultados obtidos com uma detecção simultânea (0 ns) e atrasada (50 ns) com respeito ao pulso laser permite discriminar entre as regiões onde estão presentes PAHs e fuligem ou apenas fuligem. Os resultados mostram que na região mais fria, perto da entrada de combustível, apenas existem PAH. Seguindo esta região, numa zona de altura intermediária e mais quente, tanto a fuligem como o PAHs coexistem até a o ponto de máxima fração volumétrica integrada de fuligem. O deslocamento no sentido vertical da distribuição de fluorescência é observado com o aumento do comprimento de onda de detecção, o que é consistente com o crescimento do tamanho de PAH e sua progressiva transformação em fuligem. A distribuição de PAH e da fuligem é investigada como função da vazão de combustível. A fração volumétrica de fuligem apresenta uma distribuição clássica, cujo valor se incrementa com a vazão de combustível, enquanto que a temperatura medida diminui. / [en] This work presents an experimental study of soot and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) distribution in axisymmetric ethylene-air non-premixe laminar flames using spectroscopic diagnostic in a co-flow target burner. For this purpose, are applied laser-induced fluorescence and laser-induced incandescence techniques with UV excitation. Spectral detection bands centered at 340, 400, 450, 500, 550 nm are employed to characterize PAH, using the infrared fluorescence spectra displacement phenomenon with the molecular mass increase. The incandescence is captured at 400 nm and the laser extinction technique is used to calibrate the signal, and, thus to obtain the soot volume fraction at the reaction zone. The soot spontaneous emitted radiation is used to measure the temperature by the two-color pyrometry technique. The comparison between results with prompt (0 ns) and delayed (50 ns) detection, with respect to the laser pulse, allows to discriminate the regions between soot precursors (PAH) and soot. The results show that, in the colder region, near the fuel inlet, PAH exist only. Following this region, in an intermediate warmer zone, both soot and PAH appear to coexist until the point of maximum integral soot volumetric fraction. A vertical displacement of the fluorescence distribution with increasing detection wavelength is observed, which is consistent with PAH size growth and with its progressive transformation into soot. PAH and soot distribution are investigated as a function of the fuel flow rate. The soot volumetric fraction exhibits a classical distribution, whose value increases with the fuel flow rate, whereas the measured temperature decreases, exhibiting a singular behavior in the region where the soot is formed.