Orientador: Celso de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-19T04:16:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MoyaOsorio_DianaPamela_M.pdf: 1282063 bytes, checksum: 0bd5600058b4051f103c6622f93e5cc4 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Na próxima geração de redes celulares, a ICC (Interferência de Co-Canal ) constitui a causa principal para a degradação do desempenho, especialmente para os usuários na borda da célula, o que é um grande obstáculo para alcançar amplas áreas de cobertura e alta eficiência espectral. Neste trabalho, o desempenho do enlace reverso de uma rede celular em termos da eficiência espectral média e na presença de ICC é avaliado mediante uma simulação semi-analítica. Foram considerados dois cenários, canal AWGN(Additive White Gaussian Noise) e canal com desvanecimento plano do tipo Rayleigh, além de um modelo de propagação com perda de percurso exponencial. A avaliação é feita para fatores de reuso clássicos e modulações M-QAM (Multi-Level Quadrature Amplitude Modulation). Considera-se também uma estratégia de controle de potência e modulação adaptativa baseada na SIR (Signal-to-Noise Interference) e a BER (Bit Error Rate). Adicionalmente, é analisada a utilização de arranjo de antenas para diminuição dos efeitos da interferência e técnicas de diversidade para mitigação dos efeitos do desvanecimento / Abstract: In the next generation of wireless cellular networks, the CCI (Co-Channel Interference) constitutes the primary cause of performance degradation, specially for cell edge users, which is a big obstacle to attain wide area coverage and high spectral efficiency. In this work, the performance of the uplink of cellular networks in terms of the mean spectral efficiency is evaluated through a semi-analytical simulation, by considering the presence of CCI. It was considered two sceneries, an AWGN (Additive White Gaussian Noise) channel and a Rayleigh flat fading channel, as well as an exponential pathloss propagation model. The evaluation is done for classical reuse factors and M-QAM (Multi-Level Quadrature Amplitude Modulation) modulations. It is also considered a power control strategy and adaptive modulation based on the SIR (Signal-to-Noise Interference) and BER (Bit Error Rate). Besides, it is analyzed the utilization of an antenna array to reduce the interference effects and diversity techniques to mitigate fading effects / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Nesta tese estudamos redes cooperativas em modo de operação Full-Duplex (FD). Para tanto, usamos conceitos de teoria da informação e da comunicação, além de estatística aplicada. Assim, fornecemos uma extensa análise de desempenho de sistemas cooperativos em modo FD. Além disso, demonstramos que a operação de relays em modo FD é possível, mesmo sofrendo intensos níveis de auto-interferência. Mostramos também sua aplicação em diversos cenários. Ademais, os resultados obtidos através deste trabalho servem como referência para o design e desenvolvimento de futuras tecnologias de comunicação sem-fio. Primeiramente, contribuímos com uma extensa revisão do estado da arte em comunicações em modo FD, especificamente relays FD, e além disto revisitamos as principais propriedades de esquemas de comunicação cooperativa. Analisamos de maneira extensiva o desempenho de esquemas com relays FD em ambientes com desvanecimento do tipo Rayleigh em termos probabilidade de falha de comunicação, vazão e eficiência energética. Além de todo arcabouço matemático introduzido nesta tese, também identificamos os casos em que sistemas cooperativos em mode Half-Duplex (HD) podem ser vantajosos comparados aos esquemas FD com auto-interferência. Assim, discutimos as relações de custo-benefício entre esquemas HD e FD e entre vazão e eficiência energética. A seguir, elaboramos o modelo estudado e estendemos os resultados iniciais para incorporar os casos com modelos mais gerais de desvanecimento, conhecidos como Nakagami-m. Estes resultados auxiliam na compreensão dos efeitos da auto-interferência residual e linha de visada em sistemas com relays FD. Por fim, contribuímos também com uma análise de desempenho de sistemas cooperativos seguros. Para tanto, usamos ferramentas da teoria da informação para aumentar a privacidade e confidencialidade da comunicação em canais sem-fio. Sendo assim, fornecemos um extenso arcabouço matemático para canais com desvanecimento composto. Além disto, demonstramos que, mesmo sofrendo forte auto-interferência, comunicação segura com relays FD pode também ser obtida, uma vez que segurança perfeita pode ser obtida. / In this thesis we study Full-Duplex (FD) cooperative networks from different perspectives, using concepts of information theory, communication theory and applied statistics. We provide a comprehensive performance analysis of cooperative communications systems operating with FD relays. We demonstrate that FD relaying is feasible even when experiencing strong self-interference, and we show its application under different scenarios. More importantly, the results attained through this work serve as a benchmark for design as well as deployment of current and future wireless communications technologies. Our first contribution is a comprehensive overview of the state-of-the-art on FD communications, more specifically on FD relaying, and we revisit some of the main properties of cooperative schemes. Another contribution comes from an extensive analysis of outage probability, throughput and energy efficiency of FD relaying over Rayleigh fading channels. Besides the mathematical framework introduced herein, we also show that in some cases cooperative Half-Duplex (HD) schemes achieve better performance than FD relaying with self-interference. Therefore, we draw a discussion on the trade-offs between HD and FD schemes as well as between throughput and energy efficiency. Then, we investigate the performance of FD relaying protocols under general fading settings, namely Nakagami-m fading. Our findings allow a better understanding of effects of the residual self-interference and line-of-sight on a FD relaying setup. Our final contribution lies on the performance analysis of secure cooperative networks relying on information theoretical metrics to provide enhanced privacy and confidentiality to wireless networks. Thus, we provide a comprehensive mathematical framework for composite fading channels. Even though experiencing strong self-interference, we demonstrate that FD relaying is feasible also under secrecy constraints, thus perfect secrecy can be achieved.

A comunicação em redes veiculares ad hoc (VANETs) é comumente dividida em dois cenários, chamados veículo-a-veículo (V2V) e veículo-a-infraestrutura (V2I). Objetivando estabelecer uma comunicação segura contra espiões, trabalhos recentes tem proposto a troca de chaves secretas baseado na variação da força do sinal recebido (RSS). Entretanto, o bom desempenho de tal método depende da taxa de variação do canal, sendo mais apropriado a cenários em que o canal varia rapidamente, como geralmente é o caso da comunicação V2V. Já na comunicação V2I, o canal normalmente possui desvanecimento lento. Neste trabalho, é proposta a utilização de múltiplas antenas com o intuito de gerar artificialmente um canal de desvanecimento rápido, permitindo assim a extração de chaves secretas através da RSS em um cenário V2I. Análises numéricas mostram que o modelo proposto pode obter desempenho superior, em termos de taxa de extração de bits secretos, do que o modelo de salto em frequência proposto na literatura. / The communication in vehicular ad hoc networks (VANETs) is commonly divided in two scenarios, namely vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I). Aiming at establishing secure communication against eavesdroppers, recent works have proposed the exchange of secret keys based on the variation in received signal strength (RSS). However, the performance of such scheme depends on the channel variation rate, being more appropriate for scenarios where the channel varies rapidly, as is usually the case with V2V communication. In the communication V2I, the channel commonly undergoes slow fading. In this work we propose the use of multiple antennas in order to artificially generate a fast fading channel so that the extraction of secret keys out of the RSS becomes feasible in a V2I scenario. Numerical analysis shows that the proposed model can outperform, in terms of secret bit extraction rate, a frequency hopping-based method proposed in the literature.

A comunicação em redes veiculares ad hoc (VANETs) é comumente dividida em dois cenários, chamados veículo-a-veículo (V2V) e veículo-a-infraestrutura (V2I). Objetivando estabelecer uma comunicação segura contra espiões, trabalhos recentes tem proposto a troca de chaves secretas baseado na variação da força do sinal recebido (RSS). Entretanto, o bom desempenho de tal método depende da taxa de variação do canal, sendo mais apropriado a cenários em que o canal varia rapidamente, como geralmente é o caso da comunicação V2V. Já na comunicação V2I, o canal normalmente possui desvanecimento lento. Neste trabalho, é proposta a utilização de múltiplas antenas com o intuito de gerar artificialmente um canal de desvanecimento rápido, permitindo assim a extração de chaves secretas através da RSS em um cenário V2I. Análises numéricas mostram que o modelo proposto pode obter desempenho superior, em termos de taxa de extração de bits secretos, do que o modelo de salto em frequência proposto na literatura. / The communication in vehicular ad hoc networks (VANETs) is commonly divided in two scenarios, namely vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I). Aiming at establishing secure communication against eavesdroppers, recent works have proposed the exchange of secret keys based on the variation in received signal strength (RSS). However, the performance of such scheme depends on the channel variation rate, being more appropriate for scenarios where the channel varies rapidly, as is usually the case with V2V communication. In the communication V2I, the channel commonly undergoes slow fading. In this work we propose the use of multiple antennas in order to artificially generate a fast fading channel so that the extraction of secret keys out of the RSS becomes feasible in a V2I scenario. Numerical analysis shows that the proposed model can outperform, in terms of secret bit extraction rate, a frequency hopping-based method proposed in the literature.