[pt] O desempenho de sistemas de comunicações modernos que utilizam técnicas de modulação multiportadora como, por exemplo, o OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), é altamente sensível às distorções não lineares geradas principalmente por amplificadores de alta potência (HPAs). De modo a caracterizar completamente estas distorções, os efeitos de memória destes dispositivos têm que ser considerados. Estes efeitos tornam-se mais importantes à medida que a largura de banda do sinal aumenta. Por outro lado, o aumento na duração do símbolo dos sistemas multiportadora torna-o mais sensível às variações de tempo dos canais móveis. Em particular o efeito doppler tende a prejudicar a ortogonalidade entre as sub-portadoras, gerando interferências entre sub-portadoras (Inter-Carrier Interference - ICI). Assim, torna-se importante o estudo dos efeitos de não-linearidades e canais variantes no tempo em sistemas OFDM, principalmente em sistemas de comunicações móveis. Os trabalhos atualmente disponíveis na literatura se limitam a avaliar os efeitos de não linearidades invariantes no tempo ou o efeito de canais lineares variantes no tempo. Assim, no presente trabalho são desenvolvidas expressões matemáticas que permitem avaliar o efeito conjunto de não-linearidades e canais variantes no tempo sobre sinais OFDM. A investigação deste efeito é realizada em dois níveis: efeito sobre o espectro do sinal OFDM e efeito sobre o desempenho do sistema. As expressões analíticas obtidas para ambos os níveis de investigação consideraram a modelagem do canal não-linear variante no tempo por uma Série de Volterra. Resultados numéricos que avaliam o espalhamento espectral e o impacto sobre a taxa de erro de bits em situações específicas são apresentados. / [en] The performance of modern communications systems that use multicarrier modulation techniques such as, for example, OFDM(Orthogonal frequency division multiplexing), is highly sensitive to nonlinear distortions generated mainly by high power amplifiers (HPAs). In order to fully characterize these distortions, the memory effects of these devices must be considered. These effects become more important as the signal bandwidth increases. On the other hand, the increase in symbol duration makes multicarriers systems more sensitive to time variations as those in mobile channels. In particular, the Doppler effect tends to impair the orthogonality between sub-carriers, resulting in inter-carrier interference (ICI). Therefore, the study of the effects of nonlinearities and time-varying channels on OFDM systems performance becomes important, mainly in mobile communications systems. The studies currently available in the literature are limited to evaluating the effects of time invariant non-linearities or the effects of linear time varying channels. In this work, mathematical expressions are developed to evaluate the joint effect of nonlinearities and time-varying channels on OFDM systems. The investigation of these effects is performed at two levels: the effect on the spectrum of OFDM signal and effect on the system s performance. In deriving the analytical expressions related to both levels of investigation the time-varying non-linear channel was modeled by a Volterra Series. Numerical results, obtained for specific situations, illustrate the resulting impact on the OFDM spectrum (spreading) and on the system s bit error rate performance.

[pt] As variações que ocorrem na estrutura da troposfera ao longo do tempo em relação à sua condição mediana provocam diversos fenômenos que fazem variar aleatoriamente o nível de sinal recebido num enlace rádio. Estas variações aleatórias são denominadas desvanecimentos. Os desvanecimentos são normalmente classificados em rápidos e lentos. Os desvanecimentos rápidos estão geralmente associados ao efeito de multipercurso atmosférico que é fortemente dependente da freqüência, sendo por isto denominados desvanecimentos seletivos, e são a principal causa de degradação do desempenho de enlaces rádio digitais de alta capacidade. Os modelos existentes para a caracterização estatística do desvanecimento por multipercurso são semi-empíricos e baseados em dados experimentais obtidos em regiões de clima temperado, acarretando uma má estimativa quando aplicados a regiões de clima tropical e equatorial. Neste trabalho é apresentada uma avaliação dos métodos existentes para previsão do desempenho de enlaces rádio digitais de alta capacidade, a partir da utilização de dados reais de desempenho extraídos de medidas em um tronco rádio de alta capacidade numa região tropical. / [en] The variations which happen in the troposphere layers throughout the time in relation to the median condition of the signal cause various phenomena that change the received signal level at digital radio relay systems randomly. The random changes are named fading. Fading is normally classified as fast or slow. The former is normally associated with the atmospheric multipath propagation and is strongly dependent on frequency; therefore, this is named selective fading and it is normally the cause of performance degradation in high capacity digital radio relays. The existing models for statistics of multipath fading are semi - empirical and based on experimental data extracts from regions the climate of which is temperate; and this gives a rough estimate with respect to the tropical and equatorial zones. This work presents an evaluation of existing methods of performance prediction for high capacity digital radio relay systems using real performance data obtained from measures of a high capacity digital radio link in operation in the tropical region.

[pt] Sistemas com múltiplas antenas transmissoras e receptoras, também conhecidos como sistemas MIMO (Multiple Input-Multiple Output), têm sido apontados como uma solução para aumentar a capacidade de enlaces sem fio, permitindo aos usuários utilizar aplicações com altas taxas de dados. Isto é extremamente importante em sistemas onde a capacidade obtida com as técnicas tradicionais é bastante limitada devido às características do ambiente de propagação. Com o sistema MIMO, algumas destas características são exploradas para criar canais paralelos e obter aumento expressivo de capacidade. A análise da capacidade de sistemas MIMO se baseia em uma modelagem desenvolvida a partir do comportamento estatístico dos pares de enlaces existentes entre as múltiplas antenas transmissoras e receptoras. Existe, portanto, um grande interesse em medir este comportamento para situações típicas bem como em relacioná-lo a determinados parâmetros do sistema. Nesta tese apresentam-se os resultados de uma campanha de medidas visando caracterizar canais MIMO de faixa estreita e faixa larga em ambientes fechados (indoor) com uma freqüência de portadora de 2GHz. A partir dos dados medidos, avalia-se a capacidade e diversos parâmetros do canal espaço-temporal. Os parâmetros do canal MIMO são estimados através do algoritmo FD-SAGE e as dispersões temporal e espacial do canal são calculadas a partir dos parâmetros estimados. Uma análise dos autovalores da matriz do canal MIMO é realizada com o objetivo de relacionar os valores da capacidade ao número de canais paralelos. É analisada, ainda, a correlação entre a capacidade e os parâmetros físicos do canal, tais como espaçamento entre os elementos do arranjo, espalhamento angular, espalhamento dos retardos, número e potência dos multipercursos. / [en] Multiple antenna systems known as MIMO (Multiple Input Multiple Output) systems have been proposed as an effective way to address the user demand for high data rate applications in wireless systems. This is especially important in systems where the capacity attained with traditional techniques is very limited due to the adverse characteristics of the propagation environment. With MIMO, some of these characteristics are used to create parallel channels producing significant increase in capacity. The analysis of MIMO capacity is based on models developed from the statistical behavior of the multiple links between the transmitting and receiving antennas, and therefore there has been large interest in measuring these characteristics in typical scenarios and in relating the data to system parameters. In this thesis the results of a MIMO wideband measurement campaign carried out in an indoor scenario with a carrier frequency of 2 GHz is presented. The wideband and narrowband channel capacity and several channel parameters are evaluated from the measured data. The channel parameters are estimated using the frequency domain Space-Alternating Generalized Expectation maximization (FD- SAGE) algorithm. Temporal and spatial dispersions of the multipath channel are calculated from the estimated parameters and an eigenvalue analysis is performed seeking to relate the capacity values to the number of parallel channels. In addition, the correlation between channel capacity and physical parameters as antenna spacing, angle spread, delay spread, number and power of multipath components is investigated.

Submitted by Fernando Souza (fernandoafsou@gmail.com) on 2017-08-14T10:56:32Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 4889368 bytes, checksum: 2154a6772c98f0f2fb36fa3148dc4a24 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-14T10:56:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 4889368 bytes, checksum: 2154a6772c98f0f2fb36fa3148dc4a24 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / A Wireless Sensor Network (WSN) can be characterized by the use of sensor nodes in varied environments for many different applications, e.g., monitoring and control systems applications in industrial environments. The use of WSNs in industrial applications must deal with typical problems of wireless networks, such as high attenuation and obstructions. In these environments, different characteristics of the channels can be observed due to its multipath profile. Changes in the topology may also cause changes in the channel characteristics as the time goes on, and it may cause differences in the average value of the received power. An alternative to deal with it and with the variation of channel quality is the development of protocols that use multiple channels. Its use allows, e.g., to achieve better use of the channel, increasing the network transmission capacity. However, there is a difficulty in evaluating and comparing different approaches due to the lack of simulators which have more accurate models. To assess the real benefits of these protocols, one should take into account a more realistic propagation model. This work presents a realistic simulation model that captures the effects of fading on a large and small scale, log-normal shadowing, the non-stationary characteristics of the channel for a long time, and the different characteristics of the different IEEE 802.15.4 standard channels. The model was then built into the open-source discrete event simulator Castalia and tested, comparing it with the default stationary model of the simulator. After integration, the protocol Tree-based Multi-Channel Protocol (TMCP) was evaluated using the proposed model. In the experiments it was possible to identify good accuracy in both the model and the TMCP protocol. / Uma Rede de Sensores sem Fio (RSSF) pode ser caracterizada pela utilização de nós sensores em variados ambientes para as mais diversas aplicações, por exemplo, para monitoramento e controle em ambiente industrial. O uso de RSSFs para implementar aplicações industriais precisa lidar com problemas típicos das redes sem fio, como alta atenuação e obstruções. Nesses ambientes, diferenças nas características dos canais podem ser observadas dado o seu perfil de multipercurso. Mudanças na topologia também podem provocar mudanças nas características dos canais ao longo do tempo, podendo causar diferença no valor médio da potência recebida. Uma alternativa para lidar com isso e com a variação da qualidade dos canais é o desenvolvimento de protocolos que utilizam múltiplos canais. Seu uso permite, por exemplo, alcançar uma melhor utilização do canal, aumentando a capacidade de transmissão da rede. No entanto, existe uma dificuldade em avaliar e comparar as diferentes abordagens devido à carência de simuladores que apresentem modelos mais precisos. Para avaliar os reais benefícios desses protocolos deve-se levar em consideração um modelo de propagação mais próximo da realidade. Esse trabalho apresenta um modelo de simulação que captura os efeitos de desvanecimento em larga escala, atenuação em pequena escala, sombreamento log-normal, as características não-estacionárias do canal em longos períodos de tempo, e as características distintas dos diferentes canais do padrão IEEE 802.15.4. O modelo foi então integrado ao simulador de eventos discretos de código aberto Castalia e testado, comparando-o com o modelo estacionário padrão do próprio simulador. A partir da integração, o protocolo Tree-based Multi-Channel Protocol (TMCP) foi implementado e avaliado utilizando o modelo proposto. Com os experimentos foi possível identificar uma ótima precisão do modelo e do protocolo TMCP.

A modelagem computacional tem se tornado uma poderosa ferramenta utilizada mundialmente em pesquisas sobre sistemas de comunicação móvel. Em tais sistemas, a modelagem do canal é fator indispensável, pois as características de mobilidade e propagação presentes nesse tipo de sistema são responsáveis por distorções ocorridas sobre o sinal transmitido. O presente trabalho reúne os principais modelos matemáticos e computacionais de canal de comunicação móvel. Realiza-se uma abordagem histórica sobre o assunto, apresentado a natureza do problema do desvanecimento e a forma como foi modelado inicialmente. Por outro lado, apresentam-se modelos recentes, considerados eficazes do ponto de vista matemático e eficientes do ponto de vista computacional. O trabalho traz como contribuição a proposta de um novo modelo de canal com desvanecimento. Os modelos apresentados foram analisados do ponto de vista matemático por meio de suas propriedades estatísticas. Do ponto de vista numérico e computacional a análise se deu por meio de simulações. A principal conclusão obtida mostra que dois modelos com filtragem no domínio da freqüência, sendo um deles o novo modelo proposto, são os mais indicados para simular formas de onda que representem um canal com desvanecimento Rayleigh. Este trabalho tem a pretensão de ser útil para pesquisadores atuantes na área de modelagem e simulação de sistemas atuais de comunicação móvel. / Computational modelling is a powerful and widely used tool for research in mobile communication systems. In such systems, the communication channel modelling is an indispensable factor, because its mobility and propagation characteristics can cause distortion over the transmitted waveform. This work contains the main mathematical and computing communication channel models. A historical cover is provided, which presents the nature of the problem and the initial modelling of the fading phenomenon. On the other hand, recent models are presented, which are mathematically effective and computationally efficient. One contribution of this work is the proposal of a new fading channel computational model, which was suitably tested and validated. The presented models were mathematically analyzed through its statistical properties. From numerical and computational point of view, the models were analyzed through several simulations. The main conclusion, from analytical and simulated results, shows that two models using frequency filtering are the best choice for the generation of multiple uncorrelated Rayleigh fading waveforms, where one of them is the new proposed model. This work can help mobile communications researchers to suitably model the communication channel in a computer simulation.

A modelagem computacional tem se tornado uma poderosa ferramenta utilizada mundialmente em pesquisas sobre sistemas de comunicação móvel. Em tais sistemas, a modelagem do canal é fator indispensável, pois as características de mobilidade e propagação presentes nesse tipo de sistema são responsáveis por distorções ocorridas sobre o sinal transmitido. O presente trabalho reúne os principais modelos matemáticos e computacionais de canal de comunicação móvel. Realiza-se uma abordagem histórica sobre o assunto, apresentado a natureza do problema do desvanecimento e a forma como foi modelado inicialmente. Por outro lado, apresentam-se modelos recentes, considerados eficazes do ponto de vista matemático e eficientes do ponto de vista computacional. O trabalho traz como contribuição a proposta de um novo modelo de canal com desvanecimento. Os modelos apresentados foram analisados do ponto de vista matemático por meio de suas propriedades estatísticas. Do ponto de vista numérico e computacional a análise se deu por meio de simulações. A principal conclusão obtida mostra que dois modelos com filtragem no domínio da freqüência, sendo um deles o novo modelo proposto, são os mais indicados para simular formas de onda que representem um canal com desvanecimento Rayleigh. Este trabalho tem a pretensão de ser útil para pesquisadores atuantes na área de modelagem e simulação de sistemas atuais de comunicação móvel. / Computational modelling is a powerful and widely used tool for research in mobile communication systems. In such systems, the communication channel modelling is an indispensable factor, because its mobility and propagation characteristics can cause distortion over the transmitted waveform. This work contains the main mathematical and computing communication channel models. A historical cover is provided, which presents the nature of the problem and the initial modelling of the fading phenomenon. On the other hand, recent models are presented, which are mathematically effective and computationally efficient. One contribution of this work is the proposal of a new fading channel computational model, which was suitably tested and validated. The presented models were mathematically analyzed through its statistical properties. From numerical and computational point of view, the models were analyzed through several simulations. The main conclusion, from analytical and simulated results, shows that two models using frequency filtering are the best choice for the generation of multiple uncorrelated Rayleigh fading waveforms, where one of them is the new proposed model. This work can help mobile communications researchers to suitably model the communication channel in a computer simulation.