[pt] Os engenheiros e projetistas enfrentam diversos desafios na fase de implantação das redes móveis celulares, sobretudo no planejamento da área de cobertura e da penetração da onda eletromagnética em ambientes indoor, em particular na faixa de 2.5 GHz. Adicionalmente, não se dispõe de muitos resultados sobre as constantes de propagação através das edificações que permitam calcular com precisão a contribuição de campo que atravessa edifícios que são especialmente importantes na predição de cobertura em sistemas microcelulares. A primeira parte desse estudo trata da caracterização do canal em banda larga e banda estreita a partir de resultados experimentais que fornecem informações essenciais na implementação e desenvolvimento de projetos de redes móveis. Em banda larga os resultados de dispersão temporal do canal, tais como, o retardo médio e o espalhamento de retardo, são obtidos através de dois métodos distintos e comparados entre si em condições de LOS e NLOS em ambientes urbano e suburbano. Em banda estreita é realizada a análise estatística do desvanecimento em pequena e larga escala característicos de cada região urbana e suburbana. Na segunda parte desse estudo discute-se a importância para a cobertura em regiões urbanas do campo eletromagnético que atravessa as edificações num ambiente microcelular e formula-se um modelo de perda de potência do sinal transmitido através de edificações características de ambientes urbanos e suburbanos. / [en] The engineers and designers face many challenges in the implementation of cellular mobile networks, especially in planning the coverage and penetration of the signal into indoor environments, in particular in the range of 2.5 GHz. Additionally, they do not have many results on the propagation constants through the buildings that allow the accurate calculation of the contribution of field that crosses buildings and are especially important in the prediction of coverage. The first part of this study deals with the broadband and narrowband characterization of the channel from experimental results that provide essential information to the development and implementation of projects of mobile networks. Broadband results of temporal dispersion of the channel, such as the mean delay and delay spread, are obtained by two distinct methods and compared for LOS and NLOS conditions in urban and suburban environments. The narrowband characterization includes the statistical analysis of the small-scale fading characteristic of urban and suburban region. In the second part of this study the representativeness of the signal going through the buildings is discussed and a model of loss of signal strength by the propagation through buildings in urban and suburban environments is formulated.

[pt] À medida que os sistemas de comunicações móveis e de rádiodeterminação que utilizam satélites não geo-estacionários de órbitas baixas e médias ganham importância no cenário mundial de comunicações, torna-se cada vez mais necessário o conhecimento do ambiente de rádio- propagação, seu comportamento e a inter-relação entre os seus diversos aspectos e parâmetros. Em função de características dos dispositivos de comunicações utilizados em tais sistemas, como transmissores de baixa potência e antenas de baixo ou médio ganho, esses sistemas operam com margens de desvanecimento relativamente baixas. A literatura descreve uma técnica de simulação para estimação de margens de desvanecimento em diversos tipos de ambiente baseada em fotografias obtidas com a utilização de câmaras providas de lentes grande-angulares. Na presente dissertação, apresenta-se uma variante da metodologia original, onde se propõe a substituição da base de dados original por mapas digitais da topografia, combinada com bases de dados de edificações e de um modelo para a vegetação. Apresenta-se, ainda, a estrutura da simulação computacional utilizada para processar e analisar tais arquivos, os dados de entrada da simulação e um módulo que representa a dinâmica orbital, utilizado para prever as posições dos satélites. Finalmente, apresentam-se e analisam-se os resultados obtidos com a presente simulação. Analisa-se, também, a influência da variação dos diversos fatores que compõem os dados de entrada da simulação nos resultados obtidos. / [en] As land-mobile satellite systems and radio-determination systems get more importance in the global telecommunications scenario, it becomes even more necessary to understand the radio-propagation environment: its behavior and the inter-relationship between its several aspects and physical parameters. Due to the communications devices characteristics used in these systems, such as low-power transmitters and low/medium gain antennas, such systems operate with relatively low fade margins. The technical literature describes a simulation technique to estimate fade margins in various types of environments, based on the processing of photographs acquired by digital cameras utilizing fisheye lenses. In this dissertation, an alternate methodology is presented. It is proposed that the original database of photographs be substituted by digital elevation models combined with building databases and a vegetation model. The computer simulation structure used to process and analyzes these databases, the input simulation data, and an orbital dynamics model used to update the satellite positions are also described. Finally, the obtained simulation results are presented and analyzed. It also discusses the influence of several factors which characterize different urban regions and non geostationary orbit satellite networks in the obtained results.

[pt] Este trabalho tem por objetivo investigar a redução do custo computacional associado ao cálculo das principais estatísticas das saídas dos modelos de propagação de incertezas. Para tal, apresentamos uma implementação alternativa ao método tradicional de Monte Carlo, chamado Caos Polinomial; que é adequado a problemas onde o número de variáveis de incerteza não é muito alto. No método Caos Polinomial, o valor esperado e a variância das saídas do simulador são diretamente estimados, como funções de distribuições de probabilidade de variáveis de incerteza na entrada do simulador. A principal vantagem do método de Caos Polinomial é que o número de pontos necessários para uma boa estimativa das estatísticas da saída de um simulador, comparado com Monte Carlo, é menor. Aplicações de Caos Polinomial em reservatórios de petróleo serão apresentadas para a propagação de até quatro variáveis, apesar do método poder ser aplicado a problemas de dimensões maiores. Nossos principais resultados são aplicados a dois modelos de reservatórios de petróleo sintéticos. / [en] In this work we investigate the reduction of the computational cost of the calculus of statistical moments of simulator s output in uncertainties propagation s models. For do that, we present an alternative s implementation to the traditional Monte Carlo s Method, called Polynomial Chaos; that is adequate to problems where the number of uncertain variables is not so high. In the Polynomial Chaos method, the expectation and the variance of the simulator s output are directly estimated, as functions of the probability distribuition of the uncertain variables in simulator input. The great advantage of Polynomial Chaos is that number of points necessary for a good estimation of the output statistics have smaller magnitude, compared to the Monte Carlo Method. Applications of Polynomial Chaos on oil reservoir simulations will be presented. As it is just a preliminar implementation, we just treat propagation s problems with at most four uncertainties variables, despite of the method being applicable to problems with more dimensions. Our main results are applied to two models of synthetic oil reservoirs.

[pt] A previsão da perda de propagação na faixa de UHF tem grande importância para o dimensionamento dos sistemas de TV Digital. Com base em uma grande campanha de medidas na cidade do Rio de Janeiro pretende- se, com esse trabalho, descrever o comportamento do sinal, assim como verificar a existência de modelos adequados para caracterizá-lo. / [en] Methods for prediction of propagation loss in the UHF band have great importance for the Digital TV systems sizing. With basis of a great measures campaign in Rio de Janeiro city, this work intendeds to describe the behavior of the signal end to verify the existence of adjusted models to characterize it.

[pt] O Método Estendido dos Elementos Finitos (XFEM) consiste em uma técnica para modelagem explícita de fraturas. Este método carrega toda a estrutura do método dos elementos finitos e baseia-se no Método da Partição da Unidade. O método tem como essência a adição de funções de enriquecimento ao campo dos deslocamentos contínuos, de modo a representar descontinuidades no modelo. O referido método permite a inserção da fratura no modelo de forma independente da malha e apresenta a grande vantagem de não requerer a atualização da mesma à medida que a fratura se propaga. Neste trabalho, foi desenvolvida uma implementação do XFEM para análises bidimensionais de propagação de fraturas com base na Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE). Essa implementação foi feita para o programa ABAQUS através da sub-rotina UEL. A propagação da fratura ocorre de forma automática em um único processamento. O critério de propagação da fratura adotado baseia-se nos fatores de intensidade de tensão. Estes, por sua vez, tem seus cálculos efetuados com uso da integral de interação na forma de domínio equivalente. Utiliza-se o critério da máxima tensão tangencial para determinação da direção de propagação. O modelo foi aplicado à análise de propagação de fraturas em estruturas com material quase-frágil. Obtiveram-se excelentes resultados na predição da trajetória de propagação da fratura, comprovando a aplicação vantajosa do XFEM na modelagem de fraturas em Modo I e em modo misto de carregamento em estruturas. / [en] The Extended Finite Element Method (XFEM) is a powerful technique for the explicit modeling of fractures. This method has the background of the Finite Element Method and is based on the Partition Unity Method. The essential idea of the method is the addition of enrichment functions to the displacement field approximation for the representation of the discontinuities in the model. The crack geometry is modeled independently of the mesh and remeshing with crack growth is unnecessary. This thesis presents an ABAQUS implementation of XFEM through the UEL subroutine for two-dimensional analysis of fracture propagation following the Linear Elastic Fracture Mechanics theory. Fracture propagation occurs in an automatic procedure. The fracture criterion is based on the stress intensity factors. The domain form of the interaction integral was used for the computation of the stress intensity factors and the maximum circumferential stress criterion was used to determine the fracture propagation direction. The model was applied to the analysis of the propagation of fractures in structures of quasi-brittle material. The implementation shows good results in the prediction of the fracture propagation trajectories and proves the efficiency of the XFEM in Mode I and mixed mode fracture analyzes.

[pt] O processo de fraturamento hidráulico tem sido amplamente usado para aumentar o volume de petróleo e gás extraído na indústria petroleira. Durante a injeção de fluido, uma região determinada do reservatório é fraturada com a finalidade de aumentar a permeabilidade do meio poroso, de tal forma que o fluxo do fluido desde o reservatório para o poço seja favorecido notoriamente. Porém, este processo pode ocasionar danos ambientais tais como contaminação de aguas subterrâneas, vazamentos de gás, fraturas indesejadas nas camadas capeadoras pela injeção de agua e atividade sísmica fazendo primordial um estudo rigoroso do fraturamento hidráulico com a finalidade de reduzir os riscos potenciais associados a esta operação. Umas das metodologias usadas para projetar o fraturamento hidráulico é a simulação computacional. É possível determinar o volume injetado e a potência da bomba de injeção necessária para obter a geometria de fratura (comprimento, abertura e altura) desejada. A modelagem numérica através de elementos coesivos acoplados do processo de fraturamento hidráulico pode ser efetuada considerando o processo transiente ou permanente, tendo geometrias da fratura e curvas de injeção diferentes. Neste trabalho foi simulado numericamente o modelo KGD nos regimes de fluxo transiente e permanente para dois casos de estudo, (1) injeção numa única camada e (2) injeção em três camadas com contraste de tensões e poropressões entre elas. O estudo numérico foi desenvolvido usando o método dos elementos finitos com modelo de zona coesiva no software Abaqus o qual foi comparado com as soluções analíticas do KGD no regime dominado pela rigidez (Vértice-K) para uma camada e de Simonson e Fung para três camadas. / [en] The hydraulic fracturing process has been widely used to improve oil and gas recovery in the petroleum industry. During the fluid injection, the desired section of rock formation is fractured in order to increase the permeability of the medium that can facilitate the flow of oil to a producing well. However, this process can lead to potential environmental risks such as seismic activity, unwanted fractures in cap layers by water injection, water contamination and gas leakage making primordial to develop a rigorous study in order to reduce this environmental risks associated to hydraulic fracturing. One of the studies developed to design the hydraulic fracturing is computational simulation to determine the fluid volume and hydraulic horsepower required in order to produce the wanted fracture geometry (length, opening and height). The numerical modelling of fracturing process by using fully coupled cohesive element hydraulic can be carried out considering either a steady state or a transient analysis, which modify the fracture geometry and injection pressure. In this work, the KGD model is simulated in transient and steady analysis for two cases: (1) injection in a single layer formation and (2) injection in tri-layered formation with stress and porepressure contrast between them. The numerical simulation of a hydraulic fracturing is carried out using the finite element method with the zone cohesive model in Abaqus whose results are compared with analytical solutions of toughness-dominated propagation regime for the one layer formation model and Simonson and Fung analytical solutions for tri-layered formations model.

[pt] A futura saturação do espectro eletromagnético atualmente alocado para as comunicações móveis tem levado a comunidade científica a considerar o uso das vastas faixas de frequência disponíveis em ondas milimétricas. Esta contribuição se insere no esforço de pesquisa para caracterização dos canais urbanos em ambientes exteriores. O modelo desenvolvido utiliza o traçado de raios 2.5D, com base nos conceitos da ótica geométrica e teoria uniforme da difração. Foram implementadas diversas técnicas consideradas em um futuro padrão de comunicações móveis 5G para a transmissão de sinais de banda ultra larga em canais com e sem visada e consideradas várias classes de espalhadores, como árvores, postes e paredes rugosas com espalhamento difuso. Adicionalmente, foram feitas simulações e comparações em ambientes onde foram realizadas campanhas de medições, nas métricas de: potência recebida, retardo médio, desvio RMS e XPD. Os resultados comparativos mostraram boa concordância geral e foram investigadas possíveis causas de erro em previsões nas métricas adotadas. / [en] The future saturation of the electromagnetic spectrum currently allocated for mobile communications has led the scientific community to consider the use of the vast frequency bands available in millimeter waves. There are some technical obstacles limiting the immediate use of this band. In the radio propagation area, there is a research effort to characterize the outdoor urban channels. The developed model uses a 2.5D ray tracing algorithm based on geometrical optics and UTD concepts in outdoor environments. The model implements several techniques considered in a future standard of 5G mobile communications for the transmission of ultra wide band signals in LOS and NLOS channels with a high density of scatterers: trees, poles and diffuse scattering by rough building walls. In addition, simulations and comparisons were performed in environments where measurement campaigns were carried out, considering the following metrics: received power, mean delay, RMS deviation and XPD. The comparative results showed a good agreement. Possible model impairments were investigated.

[pt] Um modelo de traçado de raios baseado no método das imagens será aplicado para estudar a propagação de ondas de rádio nas regiões de Copacabana e Ipanema no Rio de Janeiro. Nesses ambientes altamente urbanizados, pode-se assumir que a propagação é restrita à seção horizontal dos vales nas ruas que são formados pelos blocos de edificações. Várias classes de raios, caracterizados pelo número, tipo (reflexão ou difração), e ordem de ocorrência de interação com as faces laterais dos blocos são considerados no modelo. As direções de partida e chegada, assim como a amplitude e o atraso no tempo, caracterizam cada raio, considerando seu comprimento total, além dos produtos dos coeficientes associados com cada interação com o ambiente. Neste trabalho, demonstra-se o aumento na capacidade do canal com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), usando conjunto de antenas na transmissão e na recepção para um sistema faixa estreita, operando a 1.9 GHZ, estudando situações com linha de visada (LOS) e sem linha de visada (NLOS). Sistemas de comunicações wireless com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), utilizando conjunto de antenas na transmissão e na recepção apresentam grande interesse atualmente, devido a grande eficiência espectral apresentada e ao aumento na capacidade do canal. O efeito dos sistemas MIMO na capacidade do canal é estudado para situações LOS e NLOS, visando compreender sua relação em função do ambiente de propagação. Apresenta-se a relação da capacidade do canal em função do crescimento da relação sinal-ruído (SNR), da potência de transmissão, da distância, do atraso e do espalhamento angular para pontos de recepção em LOS e NLOS. Além disso, resultados simulando um canal Rayleigh também são comparados com os resultados obtidos. / [en] A ray tracing model based on the method of images has been applied to study the propagation of radio waves in the regions of Copacabana and Ipanema in Rio de Janeiro. In such highly urbanized environments, it can be realistically assumed that propagation is restricted to a horizontal section of the street canyons characterized by the blocks of buildings. Several classes of rays, characterized by the number, type (reflection and diffraction), and order of occurrence of interaction with the lateral faces of the blocks are considered by the model. The directions of departure and arrival, as well as the amplitude and the time delay characterize each ray, considering its total length, as well as product of the coefficients associated with each interaction with the environment. In addition to analyzing the behaviors of the ray parameters considering both line-of-sight (LOS) and non line-of-sight (NLOS) situations, the capacity growth of multipleelement antenna arrays (MEAs) will be demonstrated for a narrowband system operating at 1.9 GHz. Indeed, multiple-input, multiple- output (MIMO) wireless communications systems, making use of smart antenna arrays at both ends of the communications link, has been receiving increased interest due to their high spectral efficiency and channel capacity. The effect of MIMO systems in the channel capacity will be studied for representative LOS and NLOS situations to understand how the results change as a function of the environment. It will be seen how the capacity scales with increasing signal-to- noise ratio (SNR) for a large but practical number of antenna elements at both transmitter and receiver. The increase in capacity with transmitter power, distance, delay and angular spreads for LOS and NLOS cases will also be presented, as well as a comparison of the results with those corresponding to a Rayleigh channel.

[pt] A influência da vegetação na dispersão dos sinais rádio- móveis é caracterizada através dos parâmetros de dispersão no tempo como o retardo médio, o espalha-mento de retardo e a banda de coerência, e dos parâmetros de dispersão na freqüência como o Doppler médio, o espalhamento Doppler e o tempo de coerência. Através do desenvolvimento e implementação de uma técnica de sondagem em faixa larga apropriada, medições foram realizadas em dois ambientes, das quais os parâmetros desejados puderam ser extraídos, por processamento. De posse de tais parâmetros, os ambientes vegetados puderam ser caracterizados e analisados e, com isto, os projetos dos sistemas rádio-móveis em ambientes semelhantes podem ser otimizados, sendo alguns exemplos desta melhoria: taxas de transmissão de bits mais adequadas evitando a interferência intersimbólica, o super dimensiona-mento dos sistemas e o uso desnecessário de equalizadores; limites mínimos de separação estabelecidos para a diversidade em freqüência e em tempo e limiares de ruído convenientemente estabelecidos. / [en] The influence of vegetation in mobile radio signals dispersion is characterized by the time dispersion parameters like mean delay, delay spread and coerence bandwidth, and the frequency dispersion parameters like mean Doppler shift, Doppler spread and coerence time. An appropriate wideband sounding technique was developed and implemented. Using this technique, two vegeted environments were sounded. The results of calculated parameters from measurements were used to analyse and characterize the vegeted environments. Hence, mobile radio systems on these type of environments can be designed and optimized. Some examples of this optimization are: improvement on throughput, reduction of intersimbolic interference , unnecessary use of channel impairments avoidance techniques like equalizers, establishment of minimum limits for time and frequency diversity and the choice of suitable noise thresholds.

[pt] As ferramentas de perfilagem eletromagnética para poços e túneis têm sido objeto de interesse da engenharia por muitas décadas devido às suas aplicações para a exploração de petróleo. A fim de obter uma avaliação precisa de uma formação geofísica, uma ampla variedade de métodos de eletromagnetismo computacional foi desenvolvida. O alto custo em termos de recursos computacionais para o procedimento da discretização espacial é um ponto negativo desses métodos tradicionais. Esta pesquisa tem como objetivo explorar novas abordagens semianalíticas para analisar a propagação de campos eletromagnéticos em meios anisotrópicos compreendendo camadas planares. Apresentaremos uma formulação matemática para os campos eletromagnéticos de uma fonte solenoidal em termos de um somatório de autofunções modais. O método proposto permite a análise de cenários geofísicos análogos aos do Pré-Sal brasileiro, onde rochas carbonáticas de alta condutividade são predominantes. Além disso, o efeito das formações do pré e pós-sal nas ondas eletromagnéticas pode ser facilmente incorporadas no nosso modelo. Apresentaremos resultados numéricos de validação, que demonstram o potencial da abordagem proposta neste trabalho para modelar sensores geofísicos de forma computacionalmente robusta e eficiente. / [en] Electromagnetic well-logging tools have been subject of interest for many decades due to their applications in oil exploration. In order to obtain accurate formation evaluation, a wide variety of numerical methods have been developed on Computational Electromagnetics. The high cost in terms of computational time and resources of these methods for the spatial discretization procedure is a negative point of these traditional methods. In this work, we will explore new semi-analytical approaches to analyze the propagation of electromagnetic fields in anisotropic media comprising planar layers. We will present a mathematical formulation for the electromagnetic fields due to a solenoid source in terms of a sum of modal eigenfunctions. The proposed method allows the analysis of geophysical scenarios similar to those of the Brazilian Pre-Salt, where high conductivity carbonate rocks are predominant. In addition, the effect of pre- and post-salt formations on electromagnetic waves can be easily incorporated into our model. We will present numerical validation results, which demonstrate the potential of the approach proposed in this work to model geophysical sensors in a computationally robust and efficient way.