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This dissertation outlines work accomplished in the pursuit of this degree. This report is also designed to be a general introduction to the concepts and techniques of small-scale radio channel modeling. At the present time, there does not exist a comprehensive introduction and overview of basic concepts in this field. Furthermore, as the wireless industry continues to mature and develop technology, the need is now greater than ever for more sophisticated channel modeling research. Each chapter of this preliminary report is, in itself, a stand-alone topic in channel modeling theory. Culled from original reports and journal papers, each chapter makes a unique contribution to the field of channel modeling. Original contributions in this report include: 1. joint characterization of time-varying, space-varying, and frequency-varying channels under the rubric of duality 2. rules and definitions for constructing channel models that solve Maxwell's equations 3. overview of probability density functions that describe random small-scale fading 4. techniques for modeling a small-scale radio channel using an angle spectrum 5. overview of techniques for describing fading statistics in wireless channels 6. results from a wideband spatio-temporal measurement campaign Together, the chapters provide a cohesive overview of basic principles. The discussion of the wideband spatio-temporal measurement campaign at 1920 MHz makes an excellent case study in applied channel modeling and ties together much of the theory developed in this dissertation. / Ph. D.

[pt] Nesta dissertação, é apresentado estudo realizado sobre a variabilidade do sinal, da banda de coerência e do espalhamento de retardos em um ambiente de rádio propagação móvel, por meio de medição em campo de um sinal WiMAX propagado ao longo do canal rádio móvel. A análise da estatística do sinal capturado é comparada com valores teóricos. O sinal WiMAX utilizado possui a tecnologia OFDM-256, como base da sua camada física, e frequência central de 3,410 GHz. A partir dos dados coletados durante as medições, são realizadas as análises da variabilidade do sinal, taxa de cruzamento de nível, tempo médio de desvanecimento, verificada a banda de coerência do canal e calculado o espalhamento de retardos (delay spread), por meio de fórmulas teóricas, em ambientes de LOS e NLOS. O nível do sinal medido é apresentado na forma de distribuição de probabilidade cumulativa, comparado com as distribuições cumulativas teóricas Rayleigh e m-Nakagami, sendo possível verificar a satisfatória adaptação dos dados às distribuições teóricas. São apresentados gráficos com a informação de taxa de cruzamento de nível e tempo médio de desvanecimento de determinadas subportadoras do sinal capturado, bem como os valores teóricos dos parâmetros supracitados, de acordo com as distribuições Rayleigh e m-Nakagami. Novamente, é possível verificar a satisfatória adaptação entre as informações teóricas e os dados medidos em campo. Por fim, é realizada a correlação entre as subportadoras, com o intuito de averiguar a banda de coerência definida, neste trabalho, para um valor de correlação igual a 0,5. De posse dessa informação, o cálculo do parâmetro de espalhamento de retardos é realizado, com base em fórmulas presentes na literatura. / [en] This work presents a study of signal variability, coherence bandwidth and delay spread of a WiMAX signal transmitted through a mobile radio propagation environment. The statistical analysis of the received signal is compared with theoretical distributions. The transmitted WiMAX signal has its physical layer based on OFDM-256 and 3.4 GHz as central frequency. Based on the signal received during the measurements campaign some analysis are done: signal variability; level crossing rate; average fade duration; coherence bandwidth; and delay spread calculation, based on theoretical formulas, in LOS and NLOS environment. The received signal amplitude is plotted as a function of the cumulative probability and compared to the theoretical Rayleigh and m-Nakagami cumulative distributions. It’s possible to notice a good characterization of the measured data based on those two distributions. Some graphs show the level crossing rate and average fade duration of a specific subcarrier of the received signal. In the same graphs are also plotted the theoretical values of Nakagami-m and Rayleigh distributions for those two parameters and we are able to see the good agreement. The correlation between subcarriers is also calculated in order to find out the correlation bandwidth for a correlation of 0.5. Once that the correlation bandwidth is known, the delay spread is calculated based on theoretical formulas.

[pt] No cenário atual das telecomunicações móveis, os arranjos de antenas voltaram a receber grande atenção dos pesquisadores, especialmente quando esquemas adaptativos de modificação de seus diagramas de radiação são utilizados. Uma das aplicações que exploram o potencial dos arranjos de antenas é o seu uso como forma de aumentar consideravelmente a eficiência espectral dos sistemas móveis atuais e da próxima geração. A outra aplicação em evidência está voltada para sistemas de localização de posição, pois algumas das técnicas conhecidas envolvem a estimação de ângulos-de-chegada usando arranjos de antenas. Diante destas possibilidades, cresce em importância o estudo das variações do canal de propagação rádio móvel no domínio em que o uso dos arranjos de antenas atua: o espacial. O presente trabalho procura contribuir para o contexto em questão, com uma investigação experimental do canal real rádio-móvel nos domínios temporal (retardos) e espacial (ângulos-de-chegada). No que se refere ao contexto nacional, contribuições similares baseadas em simulações já são encontradas; baseadas em medidas não. Em particular, sondagens na faixa de 1,8 GHz em ambientes internos típicos foram realizadas. Duas técnicas distintas de sondagem temporalespacial foram implementadas, tomando por base uma sonda de canal faixa-larga montada e testada com sucesso, como contribuição principal de uma dissertação de mestrado recentemente apresentada por um integrante do mesmo grupo de pesquisa ao qual esta tese está vinculada. Uma das técnicas sintetiza o arranjo realizando as sondagens com uma única antena que é sucessivamente deslocada para ocupar as posições correspondentes às dos elementos do arranjo. A outra técnica emprega um arranjo real. Em ambas, a configuração mais simples para um arranjo foi utilizada: a linear uniforme. As sondagens não forneciam diretamente os espectros espaciais-temporais. As estimativas dos espectros foram processadas posteriormente, aplicando técnicas como o correlograma para o domínio do retardo, e quatro técnicas distintas para o domínio espacial, que foi o foco principal deste trabalho: duas convencionais; e duas paramétricas, com potencial de aumentar a resolução das estimativas, assumindo hipóteses razoáveis sobre as respostas esperadas. De posse das respostas espectrais estimadas, comparações com estimativas teóricas permitiram uma análise de desempenho das técnicas utilizadas. Adicionalmente à investigação experimental do canal espacial, procurou-se verificar o potencial da aplicação da teoria de wavelets ao estudo do canal rádiomóvel. Em especial, uma das principais aplicações daquela teoria foi testada como técnica de pós-processamento das respostas espectrais no domínio do retardo. A supressão de ruído por decomposição wavelet foi aplicada a um vasto conjunto de medidas de canal disponíveis, fruto de trabalhos anteriores do grupo de pesquisa ao qual esta tese está vinculada, com resultados expressivos. / [en] In the present mobile communications scenario, researchers have turned once again special attention to antennae arrays, particularly when adaptive schemes are employed to modify its radiation patterns. One of its main applications results in considerable increases to the spectral efficiency of present and next generation mobile systems. The other major application is headed towards position location systems, since some of the known techniques comprise angle-of-arrival estimation using antennae arrays. Under such possibilities, mobile radio propagation channel variations studies grow in relevance, specially regarding the antennae arrays main domain of action: the spatial domain. The present work tries to contribute to the overstated context, experimentally investigating the actual mobile radio channel over the temporal (delays) and spatial (angles of arrival) domains. Regionally speaking, similar contributions based on simulations are already found, but none based on measurements. In special, 1.8 GHz indoor soundings have been carried out. Two different temporal spatial sounding techniques have been deployed, based on na available wideband channel sounder successfully assembled and tested as the major contribution of a MSc. dissertation recently presented by a member of the same research team to which this thesis belongs. One of such techniques sinthesyzes the array carrying the sounding out with a single antenna, which is successively moved to occupy the spots corresponding to the array elements. The other method employs an actual array. For both cases, the simplest array configuration has been used: the uniform linear one. Space-time spectra were not directly available in real time during the soundings. Its estimates have been processed later, applying techniques such as the correlogram over the delay domain, and four distinct methods over the spatial domain, the main focus of the present work. Two conventional methods have been used, as well as two parametric ones, potentially capable to increase the estimates resolution, assuming reasonable hypotheses regarding the expected responses. With the estimated spectral responses in hands, comparisons with theoretical estimates allowed a performance assessment of the employed methods. In addition to the spatial channel experimental investigation, the wavelets theory potential of application to the mobile-radio channel study has been checked out. Notably, one of the wavelets theory major applications has been tested as a post-processing technique to improve delay-domain spectral responses. Wavelet decomposition based de-noising has been applied to a huge measurements ensemble, available as the product of previous works of the research group to which this thesis is attached, leading to remarkable results.