Dissertação (mestrado)— Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2015. / Submitted by Ana Cristina Barbosa da Silva (annabds@hotmail.com) on 2015-06-23T17:57:40Z No. of bitstreams: 1 2015_KaiePimentelAtaides.pdf: 3642522 bytes, checksum: 9a615d0f47e5a6e09940a343fd9b73a2 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2015-06-24T14:21:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_KaiePimentelAtaides.pdf: 3642522 bytes, checksum: 9a615d0f47e5a6e09940a343fd9b73a2 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-24T14:21:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_KaiePimentelAtaides.pdf: 3642522 bytes, checksum: 9a615d0f47e5a6e09940a343fd9b73a2 (MD5) / O presente trabalho apresenta um estudo sobre o desempenho da modulação adaptativa com agendamento multiusuário em uma única célula de um sistema de rede celular, por meio de canais em desvanecimento α-µ independentes, mas não necessariamente identicamente distribuídos. Capacidade média de canal e eficiência espectral são obtidas em fórmulas fechadas e a taxa de erro de bit em fórmula exata, para esquemas potência-constante taxa-variável e potência-variável taxa-variável, considerando modulação de amplitude em quadratura MQAM. Os resultados são obtidos por meio de simulações computacionais em que os parâmetros da distribuição de desvanecimento são alterados de acordo com os ambientes de propagação aqui investigados. Por fim, todos os resultados são comparados, analisando vantagens e desvantagens de cada distribuição e eles mostram que a diversidade multiusuário traz um desempenho consideravelmente melhor, especialmente quando a flexibilidade dos ambientes em desvanecimento generalizado α-µ é considerada. / This project shows a study about the performance of adaptive modulation with single-cell multiuser scheduling over independent non-identically distributed α-µ fading channels. Average channel capacity and spectral efficiency are obtained in closed forms, and bit error rate in exact form, for constant-power variable-rate, and variable-power variable-rate schemes considering M-ary quadrature amplitude modulation M-QAM. The results are generated by computer simulations in which the parameters of the fading distribution are changed according to the propagation environments investigated. All the results are compared, showing advantages and disadvantages of each distribution, and they show that the multiuser diversity brings considerably better performance, specially when the flexibility of the generalized fading environments α-µ is considered.

Mauricio, W. V. F. Alocação de recursos de rádio para maximização da eficiência espectral e eficiência energética em redes de multisserviços com restrições de QoS. 2017. 96 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e da Computação) - Campus de Sobral, Universidade Federal do Ceará, Sobral, 2017. / Submitted by Programa de Pós-Graduação Engenharia Elétrica e de Computação (secretaria_ppgeec@sobral.ufc.br) on 2017-08-28T22:22:19Z No. of bitstreams: 1 2017_dis_wvfmauricio.pdf: 2216586 bytes, checksum: 36a66a038efdc7bed7d9dd1ac881d3be (MD5) / Approved for entry into archive by Djeanne Costa (djeannecosta@gmail.com) on 2017-09-01T11:46:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_dis_wvfmauricio.pdf: 2216586 bytes, checksum: 36a66a038efdc7bed7d9dd1ac881d3be (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-01T11:46:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_dis_wvfmauricio.pdf: 2216586 bytes, checksum: 36a66a038efdc7bed7d9dd1ac881d3be (MD5) Previous issue date: 2017-08 / We formulate the frequency resource assignment and power assignment allocation of maximizing the spectral eficiency in a wireless system subject to user satisfaction constraints in the multiservice scenario. We show that although this optimization problem is nonlinear, it can be converted into an integer linear program. In this way, standard techniques can be used to obtain the optimal solution. Motivated by the high computational complexity of the optimal solution, we propose a suboptimal algorithm with polynomial complexity in the worst case. Simulation results show that our proposal achieves near-optimal performance in low and medium loads with a much lower computational complexity compared with the algorithm used to obtain the optimal solution. Therefore, our proposed algorithm achieves a good tradeoff between performance and computational complexity. We also show that the addition of adaptive power allocation renders significant performance gains in the considered scenario. In this dissertation we also propose some energy eficiency problems to a wireless system using power and resource allocation subject to user satisfaction constraint. More specificaly, we formulate the PMEE, PMP and PMDTP problems. We show that although those optimizations problems are non linear, the PMEE, problem can be converted to an MILP problem while PMP and PMDTP are converted to ILP problems. In this way, standard techniques can be used to obtain the optimal solution to these problems. Motivated by the high computational complexity of the optimal solution, we propose a suboptimal algorithm with polynomial complexity in the worst case. Simulation results show that PMEE presents the best tradeoff transmited data rate and power economy when compared to the PMP and PMDTP solutions. We also show that our proposal achieves near-optimal performance in low and medium loads with a much lower computational complexity compared with the algorithm used to obtain the optimal solution. Therefore, our proposed algorithm achieves a good tradeoff between performance and computational complexity. / Nesta dissertação, primeiramente formulamos o problema de maximização da eficiência espectral para um sistema sem fio utilizando alocação de recursos de rádio na forma de blocos de recursos frequência e potência de transmissão sujeito a restrições de satisfação do usuário em cenários multisserviços. Mostramos que apesar deste problema de otimização ser não linear, ele pode ser convertido em um problema de programação linear. Deste modo, técnicas padrões podem ser usadas para obter a solução ótima. Motivado pela alta complexidade computacional da solução ótima, propomos um algoritmo subótimo com complexidade de pior caso polinomial. Resultados de simulação mostraram que nossa proposta alcança um desempenho próximo ao ótimo em cargas leves e moderadas com uma complexidade computacional muito menor comparada ao algoritmo utilizado para obter a solução ótima. Portanto, o algoritmo proposto para essa solução alcança uma boa troca entre desempenho e complexidade computacional. Também mostramos que a adição de alocação de potência adaptativa proporciona ganhos significantes de desempenho no cenário considerado. Nesta dissertação de mestrado também formulamos diferentes problemas de eficiência energética para sistemas de comunicação sem fio através da alocação de blocos de recursos na frequência e potência de transmissão sujeito a restrições de satisfação do usuário em cenários multisserviços. Mais especificamente, formulamos os problemas PMEE (Problema de Maximização da Eficiência Energética), PMP (Problema de Minimização da Potência) e PMDTP (Problema de Maximização da Diferença entre Taxa e Potência). Mostramos que apesar destes problemas de otimização serem não lineares, o problema PMEE pode ser convertido em um problema MILP (do inglês, Mixed Integer Linear Problem), enquanto que os problemas PMP e PMDTP podem ser convertidos em problemas ILP (do inglês, Integer Linear Problem). Deste modo, técnicas padrões podem ser usadas para obter as soluções ótimas. Motivado pela alta complexidade computacional das soluções ótima, propomos um algoritmo subótimo para o problema PMEE com complexidade polinomial no pior caso. Resultados de simulação mostram que a solução PMEE apresenta-se como o melhor compromisso em relação a taxa de dados transmitida e economia de potência quando comparada às soluções PMP e PMDTP. Verificamos também que nossa proposta atinge um desempenho próximo ao da solução ótima do problema PMEE em cargas leves e moderadas porém com uma complexidade computacional muito menor. Portanto, o algoritmo proposto para essa solução alcança uma boa troca entre desempenho e complexidade computacional.

Este trabalho tem como cenário as redes ópticas de próxima geração, por onde trafegarão supercanais flexíveis, sincronizados e modulados a taxas variáveis que podem chegar à ordem de Terabit por segundo. Mais especificamente, focaliza o supercanal óptico gerado a partir de um único laser (laser semente) composto por portadoras ortogonais entre si, travadas em frequência e moduladas de maneira síncrona. Tal arranjo constitui um sistema de transmissão conhecido como OFDM óptico (optical orthogonal frequency division multiplexing, O-OFDM). Este esquema não requer banda de guarda entre canais, o que proporciona uma melhor eficiência espectral, se mantidas as condições de ortogonalidade mútua, quando comparado à técnica Nyquist WDM (Nyquist wavelength division multiplexing, N-WDM), usualmente reconhecida como base para os sistemas de próxima geração. Muitos são os desafios a serem vencidos antes que a técnica O-OFDM possa ser efetivamente implantada comercialmente e esta tese busca, através de um estudo de seus princípios de funcionamento e módulos constituintes, elencar os principais obstáculos e as possíveis maneira de superá-los. Sem pretender ser exaustivo em termos de tecnologias disponíveis para alcançar este fim, o objetivo é propor novas configurações de subsistemas e arquitetura de nó para o transmissor, o nó intermediário e o receptor coerente, capazes de executar, de forma relativamente simples no domínio óptico, as principais funcionalidades de uma transmissão ponto a ponto com nós deriva/insere intermediários. Através de simulações sistêmicas e demonstrações experimentais, como prova de conceito, dois cenários são abordados: análise do desempenho numa transmissão ponto a ponto, e operação em rede, com derivação e inserção de canal em nós intermediários. Ao final, através de uma análise qualitativa, é feita uma estimativa de componentes e subsistemas necessários para tornar a transmissão de sinais O-OFDM implementável por tecnologias de fotônica integrada que atenda, com eficiência espectral e economia de energia, a sempre crescente demanda de capacidade em sistemas de transmissão óptica. / This work focuses on the scenario of next generation optical networking, where flexible optical superchannels will propagate modulated at variable rates that can reach terabits per second. More specifically, it focuses on the optical superchannel generated from a single laser (seed laser) composed of orthogonal carriers, which are frequency-locked and synchronously modulated. Such arrangement constitutes a transmission system known as optical orthogonal frequency division multiplexing (O-OFDM). This scheme does not require guard band between channels, which provides a better spectral efficiency, if the conditions of mutual orthogonality are maintained, when compared to the Nyquist wavelength dividing multiplexing (N-WDM) technique, usually recognized as the basis for the next generation systems. There are many challenges to overcome before O-OFDM technique can be effectively deployed commercially and this thesis seeks, through a study of its operating principles and constituent modules, to identify the main obstacles and the possible ways of overcoming them. Without intending to be exhaustive in terms of available technologies to achieve this aim, the objective is to propose new configurations of subsystems and node architecture for the transmitter, the intermediate node and the coherent receiver, able to perform in the optical domain, in a relatively simple way, the main features a point-to-point transmission with nodes drifting/inserting intermediates. Through systemic simulations and some experimental demonstrations, as proof of concept, two scenarios are addressed: performance analysis in a point-to-point transmission, and network operation, with channel derivation and insertion at intermediate nodes. At the end, through a qualitative analysis, an estimate of components and subsystems is made to make the transmission of O-OFDM signals implementable by integrated photonics technologies that meet, with spectral efficiency and energy savings, the ever increasing capacity demand in optical transmission systems.

Massive MIMO communication systems have been highlighted as the main technology for physical layer of next generation communication standards, like 5G. While conventional communication between BS and its covered users is performed in orthogonal time-frequency resources, the improved interuser interference mitigation capability provided by the large number of BS antennas enables the BS to communicate with several users in the same time-frequency resource. This better usage of available but scarce spectrum elevates the spectral efficiency to very appreciable levels, and has a similar effect on energy efficiency, since the transmit power is not increased. On the other hand, if the objective is to provide a target performance for the users, the required transmit power in both direct and reverse links can be made inversely proportional to the number of BS antennas employed. In this Doctoral Thesis, several important aspects of massive MIMO systems are systematically investigated aiming to improve their energy and spectral efficiencies. We can enumerate our main contributions as follows. Considering a cellular massive MIMO network, we proposed an optimized assignment policy of training sequences to the users, which is then combined with suitable power control algorithms. We have also investigated the adoption of alternative waveforms in this scenario, such as single-carrier transmission, in order to overcome the issues of conventional OFDM. Our contributions in this topic are to derive analytical performance expressions for a time-domain single-carrier equalizer taking advantage of the large number of BS antennas, and to evaluate and compare the total energy efficiency of OFDM versus single-carrier massive MIMO systems. Finally, considering crowded massive MIMO networks, composed by both human users as well as machine-type communication devices, we proposed an improved random access protocol aiming to decrease the average number of access attempts for the users and decreasing the probability of failed access attempts. / Sistemas de comunicação de múltiplas antenas (multiple-input multiple-output - MIMO) têm se destacado como a principal tecnologia para a camada física dos padrões de comunicação da próxima geração, como o 5G. Enquanto a comunicação convencional entre a estação base (base station - BS) e seus usuários atendidos é realizada em recursos ortogonais de tempo-frequência, a grande capacidade de redução da interferência interusuários possibilitada pelo grande número de antenas da BS habilita a BS a se comunicar com diversos usuários no mesmo recurso tempo-frequência. Este melhor uso do escasso espectro disponível eleva a eficiência espectral a níveis muito apreciáveis, e tem um efeito similar na eficiência energética, pois a potência de transmissão não é aumentada. Por outro lado, se o objetivo é fornecer um desempenho desejado para os usuários, a potência de transmissão necessária em ambos os enlaces direto e reverso pode ser feita inversamente proporcional ao número de antenas na BS. Nesta Tese de Doutorado, diversos aspectos importantes de sistemas MIMO massivo são sistematicamente investigados com o objetivo de melhorar suas eficiências energética e espectral. Pode-se enumerar as principais contribuições alcançadas como se segue. Considerando uma rede celular MIMO massivo, propõe-se uma política de atribuição de sequências de treinamento aos usuários otimizada, a qual é depois combinada com apropriados algoritmos de controle de potência. Também investiga-se a adoção neste cenário de formas de onda alternativas, tal como a transmissão de portadora única, visando superar as deficiências da convencional multiplexagem por divisão de portadoras ortogonais (orthogonal frequency-division multiplexing - OFDM). As principais contribuições obtidas neste tema são derivar expressões de desempenho analíticas para um equalizador de portadora única no domínio do tempo que aproveita o grande número de antenas na BS, e avaliar e comparar a eficiência energética total de sistemas MIMO massivo OFDM versus portadora única. Finalmente, considerando redes MIMO massivo sobrecarregadas, compostas por usuários humanos bem como dispositivos de comunicação do tipo máquina, propõe-se um protocolo de acesso aleatório melhorado visando diminuir o número médio de tentativas de acesso para os usuários e diminuir a probabilidade de falhas de tentativa de acesso.

Massive MIMO communication systems have been highlighted as the main technology for physical layer of next generation communication standards, like 5G. While conventional communication between BS and its covered users is performed in orthogonal time-frequency resources, the improved interuser interference mitigation capability provided by the large number of BS antennas enables the BS to communicate with several users in the same time-frequency resource. This better usage of available but scarce spectrum elevates the spectral efficiency to very appreciable levels, and has a similar effect on energy efficiency, since the transmit power is not increased. On the other hand, if the objective is to provide a target performance for the users, the required transmit power in both direct and reverse links can be made inversely proportional to the number of BS antennas employed. In this Doctoral Thesis, several important aspects of massive MIMO systems are systematically investigated aiming to improve their energy and spectral efficiencies. We can enumerate our main contributions as follows. Considering a cellular massive MIMO network, we proposed an optimized assignment policy of training sequences to the users, which is then combined with suitable power control algorithms. We have also investigated the adoption of alternative waveforms in this scenario, such as single-carrier transmission, in order to overcome the issues of conventional OFDM. Our contributions in this topic are to derive analytical performance expressions for a time-domain single-carrier equalizer taking advantage of the large number of BS antennas, and to evaluate and compare the total energy efficiency of OFDM versus single-carrier massive MIMO systems. Finally, considering crowded massive MIMO networks, composed by both human users as well as machine-type communication devices, we proposed an improved random access protocol aiming to decrease the average number of access attempts for the users and decreasing the probability of failed access attempts. / Sistemas de comunicação de múltiplas antenas (multiple-input multiple-output - MIMO) têm se destacado como a principal tecnologia para a camada física dos padrões de comunicação da próxima geração, como o 5G. Enquanto a comunicação convencional entre a estação base (base station - BS) e seus usuários atendidos é realizada em recursos ortogonais de tempo-frequência, a grande capacidade de redução da interferência interusuários possibilitada pelo grande número de antenas da BS habilita a BS a se comunicar com diversos usuários no mesmo recurso tempo-frequência. Este melhor uso do escasso espectro disponível eleva a eficiência espectral a níveis muito apreciáveis, e tem um efeito similar na eficiência energética, pois a potência de transmissão não é aumentada. Por outro lado, se o objetivo é fornecer um desempenho desejado para os usuários, a potência de transmissão necessária em ambos os enlaces direto e reverso pode ser feita inversamente proporcional ao número de antenas na BS. Nesta Tese de Doutorado, diversos aspectos importantes de sistemas MIMO massivo são sistematicamente investigados com o objetivo de melhorar suas eficiências energética e espectral. Pode-se enumerar as principais contribuições alcançadas como se segue. Considerando uma rede celular MIMO massivo, propõe-se uma política de atribuição de sequências de treinamento aos usuários otimizada, a qual é depois combinada com apropriados algoritmos de controle de potência. Também investiga-se a adoção neste cenário de formas de onda alternativas, tal como a transmissão de portadora única, visando superar as deficiências da convencional multiplexagem por divisão de portadoras ortogonais (orthogonal frequency-division multiplexing - OFDM). As principais contribuições obtidas neste tema são derivar expressões de desempenho analíticas para um equalizador de portadora única no domínio do tempo que aproveita o grande número de antenas na BS, e avaliar e comparar a eficiência energética total de sistemas MIMO massivo OFDM versus portadora única. Finalmente, considerando redes MIMO massivo sobrecarregadas, compostas por usuários humanos bem como dispositivos de comunicação do tipo máquina, propõe-se um protocolo de acesso aleatório melhorado visando diminuir o número médio de tentativas de acesso para os usuários e diminuir a probabilidade de falhas de tentativa de acesso.

Este trabalho tem como cenário as redes ópticas de próxima geração, por onde trafegarão supercanais flexíveis, sincronizados e modulados a taxas variáveis que podem chegar à ordem de Terabit por segundo. Mais especificamente, focaliza o supercanal óptico gerado a partir de um único laser (laser semente) composto por portadoras ortogonais entre si, travadas em frequência e moduladas de maneira síncrona. Tal arranjo constitui um sistema de transmissão conhecido como OFDM óptico (optical orthogonal frequency division multiplexing, O-OFDM). Este esquema não requer banda de guarda entre canais, o que proporciona uma melhor eficiência espectral, se mantidas as condições de ortogonalidade mútua, quando comparado à técnica Nyquist WDM (Nyquist wavelength division multiplexing, N-WDM), usualmente reconhecida como base para os sistemas de próxima geração. Muitos são os desafios a serem vencidos antes que a técnica O-OFDM possa ser efetivamente implantada comercialmente e esta tese busca, através de um estudo de seus princípios de funcionamento e módulos constituintes, elencar os principais obstáculos e as possíveis maneira de superá-los. Sem pretender ser exaustivo em termos de tecnologias disponíveis para alcançar este fim, o objetivo é propor novas configurações de subsistemas e arquitetura de nó para o transmissor, o nó intermediário e o receptor coerente, capazes de executar, de forma relativamente simples no domínio óptico, as principais funcionalidades de uma transmissão ponto a ponto com nós deriva/insere intermediários. Através de simulações sistêmicas e demonstrações experimentais, como prova de conceito, dois cenários são abordados: análise do desempenho numa transmissão ponto a ponto, e operação em rede, com derivação e inserção de canal em nós intermediários. Ao final, através de uma análise qualitativa, é feita uma estimativa de componentes e subsistemas necessários para tornar a transmissão de sinais O-OFDM implementável por tecnologias de fotônica integrada que atenda, com eficiência espectral e economia de energia, a sempre crescente demanda de capacidade em sistemas de transmissão óptica. / This work focuses on the scenario of next generation optical networking, where flexible optical superchannels will propagate modulated at variable rates that can reach terabits per second. More specifically, it focuses on the optical superchannel generated from a single laser (seed laser) composed of orthogonal carriers, which are frequency-locked and synchronously modulated. Such arrangement constitutes a transmission system known as optical orthogonal frequency division multiplexing (O-OFDM). This scheme does not require guard band between channels, which provides a better spectral efficiency, if the conditions of mutual orthogonality are maintained, when compared to the Nyquist wavelength dividing multiplexing (N-WDM) technique, usually recognized as the basis for the next generation systems. There are many challenges to overcome before O-OFDM technique can be effectively deployed commercially and this thesis seeks, through a study of its operating principles and constituent modules, to identify the main obstacles and the possible ways of overcoming them. Without intending to be exhaustive in terms of available technologies to achieve this aim, the objective is to propose new configurations of subsystems and node architecture for the transmitter, the intermediate node and the coherent receiver, able to perform in the optical domain, in a relatively simple way, the main features a point-to-point transmission with nodes drifting/inserting intermediates. Through systemic simulations and some experimental demonstrations, as proof of concept, two scenarios are addressed: performance analysis in a point-to-point transmission, and network operation, with channel derivation and insertion at intermediate nodes. At the end, through a qualitative analysis, an estimate of components and subsystems is made to make the transmission of O-OFDM signals implementable by integrated photonics technologies that meet, with spectral efficiency and energy savings, the ever increasing capacity demand in optical transmission systems.