[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.

<p>Neregularnost prostiranja radio talasa je uobičajeni fenomen koji<br />utiče na kvalitet radio veze u okviru bežične mreže, rezultujući<br />različitim obrascima prostiranja radio talasa. Ova teza daje<br />predlog nekoliko postupaka analize prostiranja radio talasa u cilju<br />bez-senzorskog otkrivanja prisustva i kretanja ljudi unutar postojeće<br />bežične mreže. Indikator primljene snage radio signala predstavlja<br />osnovni element analize, iz kog se izdvajaju informaciono,<br />amplitudsko i frekventno obeležje. Analizom navedenih obeležja<br />moguća je realizacija robusnog postupka bez-senzorske detekcije ljudi<br />koja se može primeniti u različitim rešenjima ambijentalne<br />inteligencije, zahtevajući minimalan broj elemenata fizičke<br />arhitekture, neophodnih za uspostavljanje korisnički svesnog<br />okruženja.</p> / <p>Radio irregularity is a common and non-negligible phenomenon that impacts<br />the connectivity and interference in a wireless network, by introducing<br />disturbances in radio signal&rsquo;s propagation pattern. In order to detect a<br />possible presence of a human subject within the existing radio network<br />sensorlessly, this thesis analyze the irregularity data expressed in a form of<br />received signal strength variation. The received signal strength variation is<br />decomposed into information, amplitude and frequency characteristics. The<br />combination of these three characteristics analysis enables the definition of<br />robust and cost-effective device-free human presence detection method that<br />can be exploited for various ambient intelligence solutions, requiring the<br />minimum hardware add-ons that are necessary for the establishment of a<br />user aware environment.</p>

[pt] O principal efeito causador de indisponibilidade em sistemas de rádio comunicações com freqüências superiores a 10 GHz é a atenuação por chuvas, especificamente a chuva convectiva, que é predominante em climas tropicais. Nesta tese será realizado o estudo e modelagem do comportamento dinâmico da atenuação por chuvas em enlaces terrestres e via satélite, com base em medidas realizadas no Brasil. Os aspectos dinâmicos da atenuação relacionam-se com as funções de distribuição de probabilidade de três variáveis aleatórias: a taxa de variação da atenuação com o tempo, o número de eventos em que um certo nível de atenuação é excedido e as durações individuais destes eventos. Em outras palavras, trata-se de problema de cruzamento de níveis aplicado à série temporal da atenuação. Ao contrário da distribuição cumulativa da atenuação, da qual informação que pode ser efetivamente retirada é limitada, a análise estatística de cada nível de atenuação, em separado, provê uma completa caracterização do fenômeno da atenuação servindo de base para aplicações tais como a construção de técnicas adaptativas de controle de ganho, metodologias de adaptação do sinal por códigos, modulações ou taxas de bits e a elaboração de esquemas de diversidade de rotas, espaço, sítio ou tempo. Utilizando o banco de dados de medidas de atenuação por chuvas em regiões tropicais e equatoriais brasileiras, obtido em medidas realizadas em seis localidades, tanto em enlaces terrestres como via satélite, foram analisados neste trabalho os comportamentos estatísticos da taxa de variação temporal da atenuação e da duração de eventos. Foi tratado, ainda, o problema do cruzamento de níveis aplicado ao conceito de disponibilidade. A informação obtida a partir dos resultados da análise dinâmica pode ser usada, como já mencionado, no tratamento de vários problemas fundamentais do projeto de sistemas de comunicações. A tese tem, também, como objetivo, contribuir para o aumento da base mundial de dados da análise da dinâmica da atenuação, principalmente em climas tropicais e equatoriais, onde tais dados são bastante escassos. / [en] The main effect causing non-availability in radio communication systems operating in frequencies above 10GHz, is the rain attenuation, particularly the heavy convective rain that is predominant in tropical regions. This thesis presents a detailed study and modelling of the dynamics of rain attenuation in terrestrial links and earthspace links, based on data obtained in long-term experimental measurements in Brazil. The dynamic aspects of rain attenuation can be described by probability distribution functions of three variables: the rate of change of the attenuation with time (fade slope), the number of events of a certain level of attenuation to be exceeded and the individual duration of these events. In other words, the level crossing applied to the attenuation time series. In contrast to the cumulative distribution of the attenuation, from which limited information can effectively be obtained, the separate statistical analysis of each level of attenuation can provide a complete understanding of the phenomenon, allowing the development of adaptive power control techniques, methods for signal adaptation using codes, modulation or bits rate and the design of spacial, routing, site and time diversity strategies. The work is based on rain attenuation data measured in terrestrial and earth-space links operating at frequencies above 10 GHz in 6 Brazilian locations. The study includes the analysis and modelling of the statistical behaviour of the rate of variation of the attenuation with time and the event durations. Also considered, is the level crossing problem applied to the availability concept. As mentioned, the information obtained from the dynamic analysis results and modelling can be used for the treatment of various fundamental problems in the radio communication system project. A contribution to increase the database of dynamic attenuation mainly in tropical and equatorial climates, where data is scarce, is also a result of this thesis.

[pt] Sintetizadores de séries temporais de atenuação por chuva constituem um importante recurso para o projeto, teste e otimização de Técnicas de Mitigação de Desvanecimento. Como dados experimentais de propagação não estão disponíveis para todas as configurações possíveis de enlaces Terra-espaço, a síntese de séries temporais de atenuação por chuva torna-se uma solução interessante, permitindo a reprodução das características dinâmicas de longa duração da atenuação pela chuva. Nesta tese de doutorado, modelos de canal capazes de sintetizar períodos curtos e longos de atenuação por chuva são analisados, testados e validados para os climas tropical e equatorial brasileiros. Aspectos críticos que determinam o correto comportamento destes geradores de séries temporais são analisados e sua faixa de validade é apresentada. Em regiões de clima tropical e equatorial, o desenvolvimento insuficiente da estrutura de telecomunicações terrestre e, por vezes, a necessidade de vencer distâncias continentais, amplificam a necessidade de implementação de sistemas de comunicação por satélite no médio prazo. Tais sistemas apresentam a vantagem de servir grandes áreas com curto tempo de implantação e a possibilidade de atingir mercado considerável. Para as novas aplicações, fortemente focadas em conteúdo multimídia para consumidores corporativos e residenciais, a banda C não é atraente porque o desenvolvimento de novos sistemas com pequenos terminais, como desejado, é incompatível com as grandes antenas necessárias para a proteção dos sistemas existentes nesta banda. Para o fornecimento de serviços multimídia a altas taxas é previsto o uso da banda Ka. Problemas de propagação são severos nestas altas faixas de frequência de forma que figuras de mérito padrão para desempenho e disponibilidade são difíceis de ser obtidas em regiões climáticas tropicais e equatoriais. Por esta razão, metodologias tradicionais de cálculo de enlaces, que levam ao uso de altas margens fixas não são as mais indicadas. Lança-se mão de Técnicas de Mitigação de Desvanecimento (Fade Mitigation Techniques, FMT). No projeto e otimização de FMTs, o conhecimento do comportamento dinâmico do canal de radiopropagação é necessário. Objetivando preencher este requisito, são usadas séries temporais de atenuação por chuva nas simulações de sistema. Porém, séries temporais experimentais não estão disponíveis em nível global em todas as frequências e inclinações de enlace desejadas, para que se projete e teste FMTs. Portanto, a alternativa ao uso de séries experimentais é a geração (sintetização) de séries temporais de atenuação por chuva fazendo uso de características climatológicas bem como de parâmetros geométricos e de propagação relativos ao enlace. Neste trabalho, modelos de canal baseados na abordagem original de Maseng e Bakken são testados com dados de beacon em 11,5 GHz (banda Ku), medidos em quatro localidades Brasileiras, representativas de climas tropical, subtropical e equatorial. Ainda, um modelo misto usando cadeias de Markov e um modelo, já existente, gerador de eventos de atenuação por chuva sob demanda é proposto e analisado. Validação é realizada por meio de variáveis de teste propostas pela ITU-R e também pela análise da fidelidade que características específicas dos eventos sintetizados possuem em relação às características de eventos reais medidos. / [en] Rain attenuation time series synthesizers constitute an important resource to the design, test and optimization of Fade Mitigation Techniques (FMTs). In the absence of experimental propagation data for every possible Earth-Space configuration, the synthesis of rain attenuation time series becomes an interesting solution to allow for the reproduction of the long-term dynamic characteristics of rain attenuation. In this thesis, channel models able to synthesize long- and shortterm rain attenuation periods are discussed, tested and validated for the Brazilian tropical and equatorial climates. Critical issues determining the correct behavior of such time series generators are analyzed and their range of validity is presented.

<p>Ova disertacija predstavlja rezultate istraživanja uticaja dve vrste<br />intenzivnih promena Sunčevog zračenja na prostiranje radio talasa. Prvi deo<br />prikazanih rezultata odnosi se na efekte neperiodičnih zračenja u X-opsegu<br />talasnih dužina u toku trajanja Sunčevog X-flera. Izvršeno je modelovanje<br />karakteristika jonizovane sredine D-sloja jonosfere u toku celokupnog<br />trajanja efekata dodatne energije jonizacije i karakteristika prostiranja<br />radio talasa određenih frekvencijskih opsega u okviru navedene sredine.<br />Drugi deo rezultata prikazuje periodičnu promenu nivoa prijemnog signala<br />usmerene mikrotalasne radio komunikacije koja nastaje u toku jutarnjih<br />časova. Pokazano je da ova promena ima visok stepen korelisanosti sa<br />promenama vrednosti geomagnetskog polja i da je uzrokuje pojava Sunca na<br />horizontu. Na osnovu rezultata dobijenih merenjem je predložen model koji<br />opisuje trend navedene promene u jutarnjim časovima.</p> / <p>This thesis presents the research results of intensive solar radiation variation<br />influence on radio propagation. The first part of presented results is related to the<br />effects of non-periodic radiation within X-ray wavelength during Solar X-flare.<br />Modelling of ionosphere D-layer medium is performed during all time duration of<br />additional ionization energy, as well as radio propagation characteristics within this<br />medium. The second part of the measured results presents periodic variation of<br />receiving microwave radio signal level of experimental Line-of-site communication<br />during the morning hours. It is shown that this variation is highly correlated with<br />geomagnetic field component values variation and that is caused by the Sun<br />appearance on the horizon. Based on the experimentally collected results, the model<br />that describes this variation during morning hours is proposed.</p>

This thesis aims at proposing all the possible enhancements for the Multi-Resolution Frequency-Domain ParFlow (MR-FDPF) model. As a deterministic radio propagation model, the MR-FDPF model possesses the property of a high level of accuracy, but it also suffers from some common limitations of deterministic models. For instance, realistic radio channels are not deterministic but a kind of random processes due to, e.g. moving people or moving objects, thus they can not be completely described by a purely deterministic model. In this thesis, a semi-deterministic model is proposed based on the deterministic MR-FDPF model which introduces a stochastic part to take into account the randomness of realistic radio channels. The deterministic part of the semi-deterministic model is the mean path loss, and the stochastic part comes from the shadow fading and the small scale fading. Besides, many radio propagation simulators provide only the mean power predictions. However, only mean power is not enough to fully describe the behavior of radio channels. It has been shown that fading has also an important impact on the radio system performance. Thus, a fine radio propagation simulator should also be able to provide the fading information, and then an accurate Bit Error Rate (BER) prediction can be achieved. In this thesis, the fading information is extracted based on the MR-FDPF model and then a realistic BER is predicted. Finally, the realistic prediction of the BER allows the implementation of the adaptive modulation scheme. This has been done in the thesis for three systems, the Single-Input Single-Output (SISO) systems, the Maximum Ratio Combining (MRC) diversity systems and the wideband Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) systems.

[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.

Wireless communications rely, among other things, on theunderstanding of the properties of the radio propagationchannel, the antennas and their interplay. Adequate measurementsare required to verify theoretical models and togain knowledge of the channel behavior and antenna performance.As a result of this master thesis we built a 3D fieldscanner measurement system to predict multipath propagationand to measure antenna characteristics. The 3Dscanner allows measuring a signal at the point of interestalong a line, on a surface or within a volume in space. In orderto evaluate the system, we have performed narrowbandchannel sounding measurements of the spatial distributionof waves impinging at an imaginary spherical sector. Datawas used to estimate the Angle-of-Arrivals (AoA) and amplitudeof the waves. An estimation method is presented tosolve the resulting inverse problem by means of regularizationwith truncated singular value decomposition. The regularizedsolution was then further improved with the helpof a successive interference cancellation algorithm. Beforeapplying the method to measurement data, it was testedon synthetic data to evaluate its performance as a functionof the noise level and the number of impinging waves. Inorder to minimize estimation errors it was also required tofind the phase center of the horn antenna used in the channelmeasurements. The task was accomplished by directmeasurements and by the regularization method, both resultsbeing in good agreement.

Existing unified numerical electromagnetic methods are often unable to analyze electrically large structures due to the amount of memory and processing power required, necessitating approximate analyses with limited applicability. In this research a hybrid modeling methodology is adopted to solve these complex problems more efficiently than unified numerical methods and more accurately than analytical methods. Electromagnetic modeling problems are divided into two or more levels of scale. Each level analyzes a specific level of detail and only promotes the required information to the next level. The method is demonstrated by successful application to three important problems: (1) remote sensing of snow, (2) modeling an optical Bragg resonator, and (3) modeling the MIMO wireless channel. First, complex snow media is analyzed with a hybrid FDTD/radiative transfer model. FDTD is used to compute phase matrices and extinction coefficients required for radiative transfer. Comparison with exact analytical methods proves the validity of the FDTD method for modest domain sizes ([5λ^3]) and number of Monte Carlo realizations (32). The method is used to illustrate a penetrating sphere model, which is not possible with existing analysis techniques. Backscatter from the resulting model is about 3 times higher than that of existing dense-medium theories, underlying the importance of exact characterization of the media. Second, a hybrid FD/FDTD/S-parameter analysis is developed to model a large (10^4 section) optical Bragg resonator: a simple FD method computes propagation constants and field profiles, FDTD analysis provides reflection and transmission coefficients for the single section, and S-parameter analysis combines the sections to obtain the complete device response. A detailed study on error suggests that the method provides better than 2% accuracy in reflection and transmission response. Third, a hybrid electromagnetic/SVA model is developed to study the indoor MIMO wireless channel. A MIMO measurement platform is discussed for simultaneous probing of up to 16 transmit and receive antennas, which was required to assess the validity of later modeling. FDTD or MOM antenna analysis coupled with the SVA model gives capacity predictions which match measured data. The model is used to explore the impact of antenna spacing, directivity, and polarization on channel capacity. Closely spaced antennas lead to an approximate halving of receive power. Directivity effectively doubles receive power for aligned transmit and receive. Dual polarization increases system capacity anywhere from 10% to 70%, depending on the spacing of elements and the amount of multipath richness. This analysis of MIMO systems underlines the need for models that describe both multipath richness and average receive power.

La convergencia de las telecomunicaciones, la informática, la tecnología inalámbrica y los sistemas de transporte, va a facilitar que nuestras carreteras y autopistas nos sirvan tanto como plataforma de transporte, como de comunicaciones. Estos cambios van a revolucionar completamente cómo y cuándo vamos a acceder a determinados servicios, comunicarnos, viajar, entretenernos, y navegar, en un futuro muy cercano. Las redes vehiculares ad hoc (vehicular ad hoc networks VANETs) son redes de comunicación inalámbricas que no requieren de ningún tipo de infraestructura, y que permiten la comunicación y conducción cooperativa entre los vehículos en la carretera. Los vehículos actúan como nodos de comunicación y transmisores, formando redes dinámicas junto a otros vehículos cercanos en entornos urbanos y autopistas. Las características especiales de las redes vehiculares favorecen el desarrollo de servicios y aplicaciones atractivas y desafiantes. En esta tesis nos centramos en las aplicaciones relacionadas con la seguridad. Específicamente, desarrollamos y evaluamos un novedoso protocol que mejora la seguridad en las carreteras. Nuestra propuesta combina el uso de información de la localización de los vehículos y las características del mapa del escenario, para mejorar la diseminación de los mensajes de alerta. En las aplicaciones de seguridad para redes vehiculares, nuestra propuesta permite reducir el problema de las tormentas de difusión, mientras que se mantiene una alta efectividad en la diseminación de los mensajes hacia los vehículos cercanos. Debido a que desplegar y evaluar redes VANET supone un gran coste y una tarea dura, la metodología basada en la simulación se muestra como una metodología alternativa a la implementación real. A diferencia de otros trabajos previos, con el fin de evaluar nuestra propuesta en un entorno realista, en nuestras simulaciones tenemos muy en cuenta tanto la movilidad de los vehículos, como la transmisión de radio en entornos urbanos, especialmente cuando los edificios interfieren en la propagación de la señal de radio. Con este propósito, desarrollamos herramientas para la simulación de VANETs más precisas y realistas, mejorando tanto la modelización de la propagación de radio, como la movilidad de los vehículos, obteniendo una solución que permite integrar mapas reales en el entorno de simulación. Finalmente, evaluamos las prestaciones de nuestro protocolo propuesto haciendo uso de nuestra plataforma de simulación mejorada, evidenciando la importancia del uso de un entorno de simulación adecuado para conseguir resultados más realistas y poder obtener conclusiones más significativas. / Martínez Domínguez, FJ. (2010). Improving Vehicular ad hoc Network Protocols to Support Safety Applications in Realistic Scenarios [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/9195