[pt] A demanda pela transmissão de dados envolvendo aparelhos celulares continua crescendo a um ritmo acelerado. Este crescimento implica que, dentro das próximas décadas, redes celulares precisariam atender até 1000 vezes a capacidade atual. Para enfrentar este desafio, existe um interesse crescente em sistemas celulares operando na faixa de ondas milimétricas. O espectro de ondas milimétricas varia entre 30 GHz e 300 GHz, mas as faixas de frequências de 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz e 70 GHz a 90 GHz parecem especialmente promissoras para a próxima geração de sistemas celulares, permitindo a utilização de larguras de canais superiores a 1 GHz. Durante a propagação em ligações de rádio terrestres ou via satélite na faixa das ondas milimétricas, ocorrem atenuações do sinal devidas à absorção e espalhamento causados por partículas atmosféricas e por hidrometeoros. O espalhamento produzido na faixa das ondas milimétricas pode ocasionar interferências cocanal entre sistemas fixos ou entre células de comunicações móveis vizinhas. A interferência devida ao espalhamento pela chuva ocorre quando a energia eletromagnética transmitida por uma antena é interceptada por uma célula de chuva. Isto causa espalhamento lateral do campo incidente, convertido em um sinal interferente que possivelmente será recebido por antenas de outros sistemas fixos ou de outra célula do sistema móvel. Isso afetará a relação (S/I) entre as potências dos sinais desejado e interferente no receptor. Nesta dissertação, será proposto um modelo de previsão de interferência pelo espalhamento devido à chuva baseado na Recomendação ITU-R P.452-16. Este modelo será aplicado na determinação da função distribuição cumulativa da relação (S/I) em áreas urbanas de estruturas realísticas regulares ou irregulares na faixa de ondas milimétricas. / [en] In the recent years, the demand for data transmission over the cellular network has been growing at a fast pace. This growth implies that in the next decades, the cellular network will need to provide 1000 times the existing capacity. To meet this challenge, there is an increasing interest in the development of cellular systems operating at millimeter waves. The corresponding frequency spectrum range from 30 GHz to 300 GHz. In particular, the frequency bands centered around 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz, 70 GHz and 90 GHz look rather promising for the next generation of cellular systems, allowing the use of 1-GHz wide channels (or even wider). During the propagation of both terrestrial and satellite links in the spectrum of millimeter waves, attenuation takes place due to absorption and scattering caused by atmospheric particles and hydrometeors. Scattering induced in the range of millimeter waves can cause co-channel interference between both fixed and mobile systems as well as between neighbor cells. Interference due to scattering caused by rain occurs as the electromagnetic transmitted energy of an antenna is intercepted by a rain cell. This leads to lateral scattering and antennas of other fixed systems, mobile system cells, or user equipment may receive the resulting interference signals. This affects the S/I ratio between the powers of the desired and the interference signals at the receiver. In this dissertation, a model will be presented to predict the interference power through scattering due to rain on the basis of ITU-R P.452-16 Recommendation. This model will be applied to determine the cumulative distribution function of the S/I ratio in urban scenarios (considering both regular and irregular structures) in the range of the millimeter waves.

[pt] Este trabalho de Tese apresenta a pesquisa, dimensionamento e desenvolvimento de lentes de Rotman em microstrip. É apresentada uma nova metodologia para projetos com apoio de ferramentas computacionais de simulação eletromagnética. São desenvolvidos protótipos em substratos dielétricos (permissividade relativa igual 10,2) para aplicações de direcionamento eletrônico de feixe (phased array) nas faixas de frequências de radares e sistemas de defesa (4 menos 6 GHz) e dos futuros sistemas de telefonia móvel 5G (27 menos 29 GHz). Também são apresentados os resultados das simulações e testes realizados em todos os dispositivos desenvolvidos. / [en] This work presents the research, dimensioning and design of microstrip Rotman lens. A new methodology for designs with support of computational tools of electromagnetic simulation is presented. Prototypes are developed on dielectric substrates (relative permittivity equal 10.2) for phased array applications in frequencies of defense systems and radar (4 minus 6 GHz) and of future 5G mobile systems (27 minus 29 GHz). Besides that, the results of the simulations and tests performed in all designed devices are presented.

[pt] O termo de ondas milimétricas refere-se à porção do espectro eletromagnético com frequências entre 30 e 300 GHz, correspondente a comprimentos de onda de 10 até 1 mm, respectivamente. As características das ondas milimétricas diferem das micro-ondas e das infravermelhas, e são estas diferenças que fazem com que um sistema de ondas milimétricas seja o candidato ideal para algumas aplicações. Nos anos passados, a falta e o alto custo de fontes, dispositivos, componentes e instrumentação adequada, para esta faixa de frequências, levaram a um progresso muito devagar nesta área, no entanto, as limitações dos sistemas infravermelhos e ópticos e a superlotação da região do micro-ondas do espectro ocasionaram um maior interesse em frequências milimétricas nos últimos anos. A quinta geração dos sistemas móveis deve estar pronta nos próximos anos, e muitas pesquisas estão se desenvolvendo nas faixas de 28 GHz, 38 GHz e 60 GHz. A faixa de 60 GHz, na qual as ondas têm uma maior atenuação comparada com as outras duas, oferece um maior espectro eletromagnético. Nesta faixa de frequência, as ondas se refletem muito e pode se aproveitar estas reflexões para uma melhor recepção sendo, por tanto, uma ótima opção para comunicação móvel de curta distância com altas taxas de transferência de dados. Para poder aproveitar a maior quantidade de multipercursos, a antena receptora deve ter uma largura de feixe grande. Assim, neste trabalho, duas antenas foram projetadas, construídas e, de alguma forma, testadas para uma frequência de 60 GHz, onde as larguras de feixe simuladas obtidas foram de 112 graus e 115 graus. / [en] The millimeter wave term refers to that portion of the electromagnetic spectrum with frequencies between 30 and 300 GHz corresponding to wavelengths of 1 to 10 mm. The characteristics of the millimeter wave differ from microwave and infrared, and these differences make a millimeter wave system, an ideal candidate for some applications. In the past the lack and the high cost of supplies, devices, components and instrumentation suitable for this frequency band caused very rambling progress in this area. However, the limitations of infrared optical systems and overcrowding of the microwave spectrum region led to a greater interest in the millimeter frequency in recent years and it is expected an increase in this interest. The fifth generation of mobile systems should be ready in the coming years, and many studies are developing in the 28 GHz, 38GHz and 60GHz bands. In the 60 GHz band, waves has a higher attenuation compared to the other two, but also offers greater electromagnetic spectrum, in this band, waves has a lot of reflection, then, scattering can be taken for better reception. So, this band is a great choice for short distance mobile communication with high data rates. To get the greatest amount of multipath, the receiving antenna must have a wide beam width. In this work, two antennas were designed, built and somewhat tested for a frequency of 60 GHz for mobile environment, where the beam widths obtained are 112 degrees and 115 degrees.

[pt] As comunicações de ondas milimétricas (mmWave) são consideradas uma tecnologia essencial para os sistemas celulares de próxima geração, dado que a enorme largura de banda disponível pode potencialmente fornecer as taxas de vários gigabits por segundo. As técnicas convencionais de pré-codificação e combinação são impraticáveis nos cenários da mmWave devido ao custo de fabricação e ao consumo de energia. As alternativas híbridas foram consideradas uma tecnologia promissora para fornecer um compromisso entre a complexidade do hardware e o desempenho do sistema. Um grande número de projetos de pré-codificadores híbridos têm sido proposto com diferentes abordagens. Uma abordagem possível é procurar minimizar a distância euclidiana entre o pré-decodificador híbrido e o pré-decodificador totalmente digital. No entanto, essa abordagem torna o projeto do pré-codificador híbrido um problema de fatoração da matrices difícil de lidar devido às restrições de hardware dos componentes analógicos. Esta tese de doutorado propõe alguns projetos de pré-codificadores e combinadores híbridos por meio de uma estratégia hierárquica. O problema híbrido de pré-codificação / combinação é dividido em partes analógicas e digitais. Primeiro, o pré-codificador / combinador analógico é projetado. Em seguida, com o pré-codificador / combinador analógico fixo, o précodificador / combinador digital é calculado para melhorar o desempenho do sistema. Além disso, métodos de otimização linear e não linear são empregados para projetar a parte analógica do pré-codificador / combinador. A viabilidade dessas propostas é avaliada usando diferentes técnicas de detecção de dados e analisando o desempenho do sistema em termos de taxa de erros de bits (BER), sum–rate e outras métricas, em cenários internos do mmWave, considerando enlace diretos massivo do MU–MIMO. Além disso, este trabalho propõe um método para encontrar aproximações analíticas bastante restritas ao desempenho obtido no BER. A metodologia proposta exigiria o conhecimento da função densidade de probabilidade (fdp) das variáveis relacionadas que são desconhecidas para os cenários mmWave. Para resolver este problema, são utilizadas as aproximações fdp Gamma. As aproximações analíticas do BER resultaram em diferenças não superiores a 0,5 dB em relação aos resultados da simulação em alto SNR. / [en] Millimeter–wave (mmWave) communications have been regarded as a key technology for the next–generation cellular systems since the huge available bandwidth can potentially provide the rates of multiple gigabits per second. Conventional precoding and combining techniques are impractical at mmWave scenarios due to manufacturing cost and power consumption. Hybrid alternatives have been considered as a promising technology to provide a compromise between hardware complexity and system performance. A large number of hybrid precoder designs have been proposed with different approaches. One possible approach is to search for minimizing the Euclidean distance between hybrid precoder and the full-digital precoder. However, this approach makes the hybrid precoder design becomes a matrix factorization problem difficult to deal due to the hardware constraints of analog components. This doctoral thesis proposes some hybrid precoder and combiners designs through a hierarchical strategy. The hybrid precoding/combining problem is divided into analog and digital parts. First, the analog precoder/combiner is designed. Then, with the analog precoder/combiner fixed, the digital precoder/ combiner is computed to improve the system performance. Furthermore, linear and no-linear optimization methods are employed to design the analog part of the precoder/combiner. The viability of these proposals is evaluated using different data detection techniques and analyzing the system performance in terms of bit error rate (BER), sum rate, and other metrics, in indoor mmWave scenarios considering massive MU-MIMO downlink. Also, this work proposes a method to find fairly tight analytic approximations to the obtained BER performance. The methodology proposed would require the knowledge of the probability density function (pdf) of the variables involved, which are unknown for mmWave scenarios. In order to solve this problem, Gamma pdf approximations are used. The analytic BER approximations resulted in differences no larger than 0.5 dB with respect to the simulation results in high SNR.

[pt] O termo de ondas milimétricas refere-se à porção do espectro eletromagnético com frequências entre 30 e 300 GHz, correspondente a comprimentos de onda de 10 até 1 mm. As características das ondas milimétricas diferem das microondas e das ondas infravermelhas, e são estas diferenças que fazem com que um sistema de ondas milimétricas seja o candidato ideal para algumas aplicações. Em anos passados a falta e o alto custo de fontes, dispositivos, componentes e instrumentação adequada para esta faixa de frequências, levaram a um progresso muito lento nesta área. Atualmente, com o planejamento da nova geração de comunicações móveis, isto está mudando e dispositivos nesta faixa de frequências estão sendo comercializados mundialmente. A faixa de operação pensada para a nova geração de comunicações móveis 5G vai de 24.25 GHz até 86 GHz. No Brasil, as faixas consideradas são de 24.25 GHz até 27.5 GHz e possivelmente de 37 GHz até 40 GHz. Neste trabalho vamos explorar a faixa de frequências entre 26.5 GHz e 40 GHz. Esta faixa já está sendo estudada por vários pesquisadores, porém ainda não existe muita literatura sobre resultados de medições em diferentes ambientes compostos por diferentes materiais. Neste trabalho serão apresentados resultados de medições de perda de penetração e coeficientes de reflexão em materiais de construção usuais. Também serão apresentados resultados de medições de perda de propagação em ambientes abertos (outdoor), realizadas no campus da PUC-Rio, e um modelo de predição desenvolvido com base nos resultados. Resultados de medições em ambientes fechados (indoor), realizadas no Centro de Estudos em Telecomunicações e num prédio da mesma universidade, também serão apresentados ao final desta tese. / [en] The millimeter wave term refers to the portion of the electromagnetic spectrum with frequencies between 30 and 300 GHz corresponding to wavelengths from 10 to 1 mm, that commercially is known as millimeter waves frequencies.The characteristics of millimeter waves differ from microwaves and infrared, and these differences make millimeter wave systems ideal candidates for some applications. In the past years, the lack and high cost of sources, devices, components and adequate instrumentation for this frequency range have caused a low progress. However, in the currently planning of the new generation of mobile communication system this is changing, and devices in this frequency range are being marketed worldwide. The frequency range proposed for new generation of mobile communication varies from 24.25 GHz to 86 GHz. In Brazil, the bands proposed are 24.25 GHz to 27.5 GHz and also from 27 GHz to 40 GHz. In this work, we will explore the range from 26.5 GHz to 40 GHz, due to equipment limitations. This frequency range is already being studied by several researchers. However, there is not extensive literature on measurement results in different environments or with different materials. This work will present results of penetration loss measurements in different materials, and the reflection coefficients for each material. Also, outdoor measurements made in the university campus will be presented and an improved path loss prediction method developed. Indoor measurements results, made in the Center of Studies in Telecommunications and in another building in the campus will also be presented.

[pt] A principal meta desta tese é estudar os efeitos da chuva nos enlaces operando na faixa de micro-ondas e comprimentos de ondas milimétricas. Para realizar este estudo, é considerado o modelo de chuva que considera um meio de chuva realista composto por um conjunto de gotas com a relação formato-tamanho proposta por Chuang e Beard, uma distribuição de tamanho das gotas dada por de Wolf, o índice de refração complexo da água para uma frequência e temperatura dada sugerido por Ray e uma distribuição de orientação dos eixos de simetria da partícula. O Extended Boundary Condition Method (EBCM) foi aplicado ao modelo descrito para determinar a atenuação, depolarização e espalhamento devidos à chuva. O desenvolvimento foi validado com sucesso por intermédio de comparações de seus resultados com os correspondentes disponíveis na literatura. O modelo de chuva realista foi utilizado em duas aplicações diferentes. Na primeira, foi estudada a interferência devida à chuva entre enlaces de telecomunicações sem fio operando em frequências de ondas milimétricas em ambientes urbanos. Outra aplicação envolve a determinação da taxa de precipitação por intermédio de radares meteorológicos (em particular, radares banda-X). Considerando que seu custo é relativamente baixo e sua resolução elevada, os radares em banda-X estariam entre as melhores opções para monitorar eventos meteorológicos. Entretanto, são susceptíveis à atenuação devida a gases atmosféricos e chuva ao longo dos enlaces, que impedem que a taxa de precipitação seja estimada diretamente a partir da potência recebida correspondente a uma determinada posição. Desta forma, um modelo de chuva realista foi implementado para calcular a seção reta de retroespalhamento e estimar a atenuação específica por intermédio do EBCM em cada um dos volumes existentes entre o radar e a posição selecionada. Este desenvolvimento permite a correção dos efeitos da atenuação existente no enlace formado entre estas duas posições. / [en] The main goal of this research is to study the rain effects on microwave and millimeter wave radio links. Thus, the rain-induced attenuation, depolarization and scattering are studied. To carry out this study, a realistic rain model is proposed, which consider a realistic rain medium composed by a cluster of raindrops with the shape-size relation proposed by Chuang and Beard, a raindrop size distribution given by de Wolf, index of refraction of water for a given temperature and frequency suggested by Ray and a distribution of the orientation angle of the symmetry axis. The realistic rain model is evaluated with two different applications of systems operating at microwave and millimeter wave frequencies. One of the applications involves wireless telecommunication systems, which are strongly affected by the presence of precipitation. To design an efficient radio communication system, the realistic rain model is applied for the analysis and quantification of rain-induced effects on links operating at millimeterwave frequencies in urban environments. Another application involves weather radars (X-band radars in particular). Considering their relatively low cost and high resolution, X-band radars would be among the best options to monitor meteorological events. However, they are susceptible to attenuation by fog, snow or rain. To solve this problem, a realistic and improved rain model is implemented to compute backscattering cross sections and estimate rain attenuation at each range gate. The proposed method is evaluated using radar data provided by the CASA OTG X-band (lambda equal a 3cm) radar located in Mayaguez, Puerto Rico, and X-band radar METEOR 50DX –Selex located in Belém, Brazil.

[pt] A perda de percurso (PL) é um parâmetro essencial em modelos de propagação e crucial na determinação da área de cobertura de sistemas móveis. Os métodos de aprendizado de máquina (ML) tornaram-se ferramentas promissoras para a previsão de propagação de rádio. No entanto, ainda existem alguns desafios para sua implantação completa, relacionados à seleção das entradas mais significativas do modelo, à compreensão de suas contribuições para as previsões do modelo e à avaliação adicional da capacidade de generalização para amostras desconhecidas. Esta tese tem como objetivo projetar modelos de PL baseados em ML otimizados para diferentes aplicações das tecnologias 5G e além. Essas aplicações abrangem links de ondas milimétricas (mmWave) para ambientes indoor e outdoor na faixa de frequência de 26,5 a 40 GHz, cobertura de macrocélulas no espectro sub-6 GHz e comunicações veiculares usando campanhas de medições desenvolvidas em CETUC, Rio de Janeiro, Brazil. Vários algoritmos de ML são explorados, como redes neurais artificiais (ANN), regressão de vetor de suporte (SVR), floresta aleatória (RF) e aumento de árvore de gradiente (GTB). Além disso, estendemos dois modelos empíricos para mmWave com previsão de PL melhorada. Propomos uma metodologia para seleção robusta de modelos de ML e uma metodologia para selecionar os preditores mais adequados para as máquinas consideradas com base na melhoria de desempenho e na interpretabilidade do modelo. Além disso, para o canal veículo-veículo (V2V), uma técnica de rede neural convolucional (CNN) também é proposta usando uma abordagem de aprendizado por transferência para lidar com conjuntos de dados pequenos. Os testes de generalização propostos mostram a capacidade dos modelos de ML de aprender o padrão entre as entradas do modelo e a PL, mesmo em ambientes e cenários mais desafiadores de amostras desconhecidas. / [en] Path loss (PL) is an essential parameter in propagation models and critical in determining mobile systems’ coverage area. Machine learning (ML) methods have become promising tools for radio propagation prediction. However, there are still some challenges for its full deployment, concerning to selection of the most significant model s inputs, understanding their contributions to the model s predictions, and a further evaluation of the generalization capacity for unknown samples. This thesis aims to design optimized ML-based PL models for different applications for the 5G and beyond technologies. These applications encompass millimeter wave (mmWave) links for indoor and outdoor environments in the frequency band from 26.5 to 40 GHz, macrocell coverage in the sub-6 GHz spectrum, and vehicular communications using measurements campaign carried out by the Laboratory of Radio-propagation, CETUC, in Rio de Janeiro, Brazil. Several ML algorithms are exploited, such as artificial neural network (ANN), support vector regression (SVR), random forest (RF), and gradient tree boosting (GTB). Furthermore, we have extended two empirical models for mmWave with improved PL prediction. We proposes a methodology for robust ML model selection and a methodology to select the most suitable predictors for the machines considered based on performance improvement and the model’s interpretability. In adittion, for the vehicle-to-vehicle (V2V) channel, a convolutional neural network (CNN) technique is also proposed using a transfer learning approach to deal with small datasets. The generalization tests proposed shows the ability of the ML models to learn the pattern between the model’s inputs and PL, even in more challenging environments and scenarios of unknown samples.

[pt] A perda de percurso (PL) é um parâmetro essencial em modelos de propagação e crucial na determinação da área de cobertura de sistemas móveis. Osmétodos de aprendizado de máquina (ML) tornaram-se ferramentas promissoras para a previsão de propagação de rádio. No entanto, ainda existem algunsdesafios para sua implantação completa, relacionados à seleção das entradasmais significativas do modelo, à compreensão de suas contribuições para asprevisões do modelo e à avaliação adicional da capacidade de generalizaçãopara amostras desconhecidas. Esta tese tem como objetivo projetar modelosde PL baseados em ML otimizados para diferentes aplicações das tecnologias5G e além. Essas aplicações abrangem links de ondas milimétricas (mmWave)para ambientes indoor e outdoor na faixa de frequência de 26,5 a 40 GHz,cobertura de macrocélulas no espectro sub-6 GHz e comunicações veicularesusando campanhas de medições desenvolvidas em CETUC, Rio de Janeiro,Brazil. Vários algoritmos de ML são explorados, como redes neurais artificiais(ANN), regressão de vetor de suporte (SVR), floresta aleatória (RF) e aumentode árvore de gradiente (GTB). Além disso, estendemos dois modelos empíricospara mmWave com previsão de PL melhorada. Propomos uma metodologiapara seleção robusta de modelos de ML e uma metodologia para selecionar ospreditores mais adequados para as máquinas consideradas com base na melhoria de desempenho e na interpretabilidade do modelo. Além disso, para o canalveículo-veículo (V2V), uma técnica de rede neural convolucional (CNN) também é proposta usando uma abordagem de aprendizado por transferência paralidar com conjuntos de dados pequenos. Os testes de generalização propostosmostram a capacidade dos modelos de ML de aprender o padrão entre as entradas do modelo e a PL, mesmo em ambientes e cenários mais desafiadoresde amostras desconhecidas. / [en] Path loss (PL) is an essential parameter in propagation models and critical in determining mobile systems coverage area. Machine learning (ML) methods have become promising tools for radio propagation prediction. However, there are still some challenges for its full deployment, concerning to selection of the most significant model s inputs, understanding their contributions to the model s predictions, and a further evaluation of the generalization capacity for unknown samples. This thesis aims to design optimized ML-based PL models for different applications for the 5G and beyond technologies. These applications encompass millimeter wave (mmWave) links for indoor and outdoor environments in the frequency band from 26.5 to 40 GHz, macrocell coverage in the sub-6 GHz spectrum, and vehicular communications using measurements campaign carried out by the Laboratory of Radio-propagation, CETUC, in Rio de Janeiro, Brazil. Several ML algorithms are exploited, such as artificial neural network (ANN), support vector regression (SVR), random forest (RF), and gradient tree boosting (GTB). Furthermore, we have extended two empirical models for mmWave with improved PL prediction. We proposes a methodology for robust ML model selection and a methodology to select the most suitable predictors for the machines considered based on performance improvement and the model s interpretability. In adittion, for the vehicle-to-vehicle (V2V) channel, a convolutional neural network (CNN) technique is also proposed using a transfer learning approach to deal with small datasets. The generalization tests proposed shows the ability of the ML models to learn the pattern between the model’s inputs and PL, even in more challenging environments and scenarios of unknown samples.

[pt] O uso de dispositivos móveis cresceu exponencialmente nos últimos anos, tornando-se um desafio a melhoria da qualidade de sinal e o pleno atendimento a serviços que exigem altas taxas de dados e baixa latência. A fim de atender a crescente demanda de tráfego, as faixas de freqüências de ondas milimétricas começam a ser exploradas para aplicação à Quinta Geração de Comunicações Móveis. A partir de medições realizadas em ambientes fechados, nas faixas de freqüências de 28 GHz e 38 GHz, foi possível analisar o canal de comunicação com base nos modelos propagação para as faixas de freqüências de ondas milimétricas. / [en] Mobile usage has grown exponentially in recent years, making it a challenge to improve signal quality and fully support to services that require high data rates and low latency. In order to meet the growing traffic demand, millimeter-wave frequency bands are being explored for application to the 5th Generation of Mobile Communications. From measurements performed in indoor environments, in the 28 GHz and 38 GHz frequency range, it was possible to analyze the communication channel based on the propagation models for the millimeter wave frequency bands.