CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / In the lastest years, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has been widely associated with cooperative radio techniques. In this context, a study about the effects of the high peak-to-average power ratio (PAPR), a well known OFDM problem, has a great relevance. This dissertation proposes an analytical formulation for the outage probability and symbol error rate (SER) in a cooperative OFDM system with one relay using fixed and selective decode-and-forward (DF) retransmission protocols, considering the nonlinear distortions inserted by the source and relay power amplifiers (PA). In the considered model, the receiver exploits the signal received directly from the source as well as the the signal transmitted through the relay using the maximum ratio combing (MRC) technique. The effects of the nonlinearities in the considered system are studied by verifying their impact in the system diversity order and by analysing how much they deteriorate the received signal. The presented analysis applies to any kind of memoryless amplifier. The proposed theoretical expressions are validated by means of computer simulations in different scenarios. / Nos Ãltimos anos, a tÃcnica de multiplexaÃÃo por divisÃo de frequÃncias ortogonais (OFDM, do inglÃs Orthogonal Frequency Division Multiplexing) vem sendo associada a tÃcnicas de rÃdio cooperativo. Contudo, ao realizar esta associaÃÃo, à de grande importÃncia que sejam avaliados os efeitos da alta razÃo entre a potÃncia mÃdia e potÃncia de pico (PAPR, do inglÃs Peak-to-Average Power Ratio) no desempenho do sistema, problema bastante conhecido em sistemas OFDM. Esta dissertaÃÃo propÃe uma formulaÃÃo analÃtica para a probabilidade de outage e para a taxa de erro de sÃmbolo (SER, do inglÃs Symbol Error Rate) em um sistema de comunicaÃÃo cooperativo OFDM com um relay utilizando os protocolos de retransmissÃo decodifica-e-encaminha (DF, do inglÃs Decode-and-Forward) fixo e seletivo, considerando os efeitos das nÃo linearidades inseridas por amplificadores de potÃncia (PA, do inglÃs Power Amplifier) na fonte e no relay. No modelo proposto, o receptor considerado explora tanto o sinal recebido diretamente da fonte como aquele proveniente do relay, combinando-os utilizando a tÃcnica de combinaÃÃo de razÃo mÃxima (MRC, do inglÃs Maximum Ratio Combining). Serà apresentado um estudo dos efeitos das nÃo linearidades no sistema, o qual à vÃlido para qualquer tipo de amplificador nÃo linear sem memÃria, verificando seu impacto na ordem de diversidade do sistema e a deterioraÃÃo aplicada ao sinal recebido. SimulaÃÃes computacionais comprovam a validade das expressÃes teÃricas propostas em diversos cenÃrios.

FundaÃÃo de Amparo a Pesquisa do Estado do Piauà / A prediÃÃo de dados nÃo enviados ao sorvedouro à uma tÃcnica usada para economizar energia em RSSF atravÃs da reduÃÃo da quantidade de dados trafegados. PorÃm, os dispositivos devem rodar mecanismos simples devido as suas limitaÃÃes de recursos, os quais podem gerar erros indesejÃveis e isto pode nÃo ser muito preciso. Este trabalho propÃe um mÃtodo baseado na correlaÃÃo espacial e temporal multivariada para melhorar a precisÃo da prediÃÃo na reduÃÃo de dados de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF). SimulaÃÃes foram feitas envolvendo funÃÃes de regressÃo linear simples e regressÃo linear mÃltipla para verificar o desempenho do mÃtodo proposto. Os resultados mostram um maior grau de correlaÃÃo entre as variÃveis coletadas em campo, quando comparadas com a variÃvel tempo, a qual à uma variÃvel independente usada para prediÃÃo. A precisÃo da prediÃÃo à menor quando a regressÃo linear simples à usada, enquanto a regressÃo linear mÃltipla à mais precisa. AlÃm disto, a soluÃÃo proposta supera algumas soluÃÃes atuais em cerca de 50% na prediÃÃo da variÃvel umidade e em cerca de 21% na prediÃÃo da variÃvel luminosidade. / Prediction of data not sent to the sink node is a technique used to save energy in WSNs by reducing the amount of data traffic. However, sensor devices must run simple mechanisms due to its constrained resources, which may cause unwanted errors and this may not be very accurate. This work proposes a method based on multivariate spatial and temporal correlation to improve prediction accuracy in data reduction for Wireless Sensor Networks (WSN). Simulations were made involving simple linear regression and multiple linear regression functions to assess the performance of the proposed method. The results show a higher correlation between gathered inputs when compared to variable time, which is an independent variable widely used for prediction and forecasting. Prediction accuracy is lower when simple linear regression is used, whereas multiple linear regression is the most accurate one. In addition to that, the proposed solution outperforms some current solutions by about 50% in humidity prediction and 21% in light prediction.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Neste trabalho, avaliou-se o desempenho de transceptores MIMO (do inglÃs, Multiple-Input-Multiple-Output) em uma nova arquitetura proposta para os sistemas de comunicaÃÃes mÃveis sem fio de prÃxima geraÃÃo XG (do inglÃs, Next Generation) denotada como CoMP (do inglÃs, Coordinated Multi-Point), em comparaÃÃo com uma arquitetura co-localizada, em que, os equipamentos de usuÃrios utilizam os recursos unicamente da estaÃÃo rÃdio base a qual està localizado. Com o objetivo de se obter ganhos de multiplexaÃÃo espacial, diversidade e ganhos intermediÃrios (entre os dois possÃveis ganhos), adota-se transceptores MIMO, os quais sÃo submetidos a dois cenÃrios distintos: CenÃrio 1, composto por uma cÃlula co-localizada que tem uma cobertura equivalente a das trÃs cÃlulas cooperativas e um cenÃrio 2, em que a cÃlula co-localizada tem o mesmo tamanho das cÃlulas cooperativas. Em ambos os casos, as arquiteturas CoMP e co-localizada sÃo abordadas e avalia-se o desempenho comparativo entre os cenÃrios relacionado com as duas arquiteturas. A anÃlise realizada neste trabalho à dividida em duas partes, sendo uma de carÃter sistÃmico, em que se observa o comportamento da SINR (do inglÃs, Signal to Interference plus Noise Ratio) utilizando os transceptores VBLAST (do inglÃs, Vertical Bell-Labs Space-Time) e STBC (do inglÃs, Space-Time Block Codes), e a outra de carÃter de enlace, na qual se utiliza um transceptor MIMO hÃbrido, de modo a fornecer uma anÃlise da taxa de erro de bit. Os resultados mostram que por meio da cooperaÃÃo, um desempenho semelhante ao cenÃrio Co-localizado pode ser obtido com um menor nÃmero de antenas nas estaÃÃes rÃdio base, representando uma economia do ponto de vista de dispÃndio de capital CAPEX (do inglÃs, Capital Expenditure) e operacional OPEX (do inglÃs, Operational Expenditure) da rede, bem como reduÃÃo na taxa de erro. / In this work, we evaluated the performance of MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) transceivers on a new architecture proposed to mobile wireless communications systems of next generation XG (Next Generation), denoted by CoMP (Coordinate Mult-Point), which is compared with a co-located architecture, whose user equipments utilize the resources uniquely of the radio base station, which is located. In order to obtain spatial multiplexing gains, diversity and intermediate gains (between the two possible gains), adopts MIMO transceivers, which are submitted to different scenarios: Scenario 1, is composed of a co-located cell, whose coverage area is equivalent to three cooperative cells and Scenario 2, where the co-located cell has the same cooperative cell sizes. In both cases, CoMP architectures and co-located are addressed and evaluates the comparative performance between these scenarios, related to the two architecture. The current analysis is divided into two parts: a systemic character, where observes the SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) behavior with the use of VBLAST (Vertical-Bell Labs Space-Time) and STBC (Space-Time Block Codes) transceivers, the another one, of link character, which uses a hybridMIMO transceiver G2+1, in oder to provide an analysis of the bit error rate. The results show that by means of cooperation, a performance similar to the scenario co-located can be obtained with a smaller number of antennas at base stations, representing a saving in terms of capital expenditure CAPEX (Capital Expenditure) and operational OPEX (Operational Expenditure) network, as well as, a reduction in the error rate.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / A crescente demanda de mercado por serviÃos sem fio e a escassez de recursos de rÃdio apela mais do que nunca para a melhoria do desempenho dos sistema de comunicaÃÃo sem fio. Desse modo, à obrigatÃrio garantir o provimento de melhores serviÃos de rÃdio e aperfeiÃoar a cobertura e a capacidade, com isso aumentando o nÃmero de consumidores satisfeitos. Esta dissertaÃÃo lida com algoritmos de escalonamento, buscando a maximizaÃÃo e o controle adaptativo do Ãndice de satisfaÃÃo no enlace direto de uma rede de acesso baseado em frequÃncia, OFDMA (do inglÃs Orthogonal Frequency Division Multiple Acess , considerando diferentes modelos de trÃfego para serviÃos de tempo nÃo real, NRT (do inglÃs Non-Real Time ), e de tempo real, RT (do inglÃs Real Time ); e condiÃÃes de canal mais realistas, por exemplo, CSI imperfeitas. Com o intuito de resolver o problema de maximizaÃÃo de satisfaÃÃo com menor complexidade, uma abordagem com otimizaÃÃo de mÃltiplas camadas usa a teoria da utilidade para formular o problema como uma maximizaÃÃo de soma de taxa ponderada. Este estudo à focado no desenvolvimento de um framework baseado em utilidade empregando a funÃÃo log-logÃstica deslocada, que devido Ãs suas caracterÃsticas permite novas estratÃgias de escalonamento de priorizaÃÃo baseada em QoS e oportunismo de canal, para uma alocaÃÃo de potÃncia igualitÃria entre os recursos de frequÃncia. Visando a maximizaÃÃo da satisfaÃÃo de usuÃrios de serviÃos NRT e RT, dois algoritmos de escalonamento sÃo propostos: MTSM e MDSM, respectivamente. A modificaÃÃo dos parÃmetros da funÃÃo de utilidade log-logÃstica descolocada permite a implementaÃÃo de diferentes estratÃgias de distribuiÃÃo de recursos. Buscando controlar os nÃveis de satisfaÃÃo dos usuÃrios de serviÃos NRT, dois algoritmos adaptativos de escalonamento sÃo propostos: ATES e ASC. O algoritmo ATES realiza um controle da satisfaÃÃo mÃdia pela mudanÃa dinÃmica do parÃmetro de escala, permitindo uma estratÃgia estÃvel para lidar com o dilema entre satisfaÃÃo e capacidade. O algoritmo ASC à capaz de garantir uma variaÃÃo dinÃmica do parÃmetro de formato, garantindo um controle rigoroso dos nÃveis de satisfaÃÃo dos usuÃrios. SimulaÃÃes no nÃvel do sistema indicam o cumprimento do objetivo de desenvolvimento de algoritmos de escalonamento eficientes e de baixa complexidade capazes de maximizar e controlar os Ãndices de satisfaÃÃo. Estas estratÃgias podem ser Ãteis para o operador da rede, que se torna capaz de projetar e operar a rede de acordo com um perfil de satisfaÃÃo de usuÃrio. / The increasing market demand for wireless services and the scarcity of radio resources calls more than ever for the enhancement of the performance of wireless communication systems. Nowadays, it is mandatory to ensure the provision of better radio services and to improve coverage and capacity, thereby increasing the number of satisfied subscribers. This thesis deals with scheduling algorithms aiming at the maximization and adaptive control of the satisfaction index in the downlink of an Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) network, considering different types of traffic models of Non-Real Time (NRT) and Real Time (RT) services; and more realistic channel conditions, e.g., imperfect Channel State Information (CSI). In order to solve the problem of maximizing the satisfaction with affordable complexity, a cross layer optimization approach uses the utility theory to formulate the problem as a weighted sum rate maximization. This study is focused on the development of an utility-based framework employing the shifted log-logistic function, which due to its characteristics allows novel scheduling strategies of Quality of Service (QoS)-based prioritization and channel opportunism, for an equal power allocationn among frequency resources. Aiming at the maximization of the satisfaction of users of NRT and RT services, two scheduling algorithms are proposed: Modified Throughput-based Satisfaction Maximization (MTSM) and Modified Delay-based Satisfaction Maximization (MDSM), respectively. The modification of parameters of the shifted log-logistic utility function enables different strategies of distribution of resources. Seeking to track satisfaction levels of users of NRT services, two adaptive scheduling algorithms are proposed: Adaptive Throughput-based Efficiency-Satisfaction Trade-Off (ATES) and Adaptive Satisfaction Control (ASC). The ATES algorithm performs an average satisfaction control by adaptively changing the scale parameter, using a feedback control loop that tracks the overall satisfaction of the users and keep it around the desired target value, enabling a stable strategy to deal with the trade-off between satisfaction and capacity. The ASC algorithm is able to ensure a dynamic variation of the shape parameter, guaranteeing a strict control of the user satisfaction levels. System level simulations indicate the accomplishment of the objective of development of efficient and low complexity scheduling algorithms able to maximize and control the satisfaction indexes. These strategies can be useful to the network operator who is able to design and operate the network according to a planned user satisfaction profile.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O crescimento e a diversidade de aplicaÃÃes para Redes de Sensores sem Fio (RSSFs) trouxeram novos desafios e uma maior visibilidade para a necessidade de buscar soluÃÃes para a seguranÃa dessas redes. Por exemplo, o meio fÃsico sem fio torna essas redes vulnerÃveis a diversos tipos de ataques, sendo essencial o uso de pelo menos os serviÃos bÃsicos de seguranÃa, como a confidencialidade, a integridade e a autenticaÃÃo. Entretanto, prover esses serviÃos em RSSF à um grande desafio devido Ãs severas limitaÃÃes de recursos de comunicaÃÃo, processamento, memÃria e energia dos dispositivos utilizados nessas redes. Dessa forma, a seleÃÃo dos mecanismos de seguranÃa mais apropriados levando em consideraÃÃo o desempenho à essencial para prover a seguranÃa da informaÃÃo em RSSF. Por outro lado, os principais trabalhos encontrados na literatura que objetivam avaliar o desempenho de mecanismos de seguranÃa no contexto de RSSFs apresentam grandes diferenÃas em termos de plataforma escolhida e mÃtricas avaliadas, alÃm de apresentar deficiÃncias no processo de avaliaÃÃo de desempenho utilizado. Sendo assim, este trabalho propÃe uma avaliaÃÃo de desempenho utilizando um processo sistemÃtico, baseado em abordagens de avaliaÃÃo de desempenho tradicionais, no qual os mecanismos de seguranÃa sÃo selecionados, implementados e validados. Os mecanismos de seguranÃa para prover os serviÃos de confidencialidade, integridade e autenticaÃÃo em RSSFs sÃo considerados neste trabalho. Experimentos reais sÃo realizados na plataforma MicaZ com o auxÃlio de um osciloscÃpio digital para medir o desempenho dos algoritmos utilizados. Com os resultados obtidos, espera-se oferecer um direcionamento quanto à escolha dos mecanismos de seguranÃa mais apropriados para aplicaÃÃes de RSSF. / The number and diversity of applications for Wireless Sensor Networks (WSNs) have grown in the last decade what makes more relevant the concern about information security in such networks. For example, since the wireless physical medium makes these networks vulnerable to various types of attacks, there is then a need to use at least basic security services such as confidentiality, integrity, and authentication. However, providing security in WSN faces some challenges because of the severe limitations of processing, communication, power, and memory resources of the devices used in these networks. In this context, the selection of the most appropriate security mechanisms taking into consideration their performance is essential to provide information security in WSNs. On the other hand, the main results found in the literature that aim to assess the performance of security mechanisms in the context of a WSN differ in terms of the chosen platform and evaluated metrics, and present deficiencies in the performance assessment process used. This work then proposes a performance assessment using a systematic process, based on traditional performance analysis approaches, in which security mechanisms are selected, implemented and validated. The security mechanisms considered in this work are for that provide confidentiality, integrity, and authentication services in WSNs. Real experiments are carried out on the MicaZ platform with a digital oscilloscope to measure the performance of the chosen algorithms. With the obtained results a good direction for choosing the most appropriate security mechanisms for WSN applications is aimed as another contribution of this work.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Em razÃo da crescente demanda de usuÃrios mÃveis por conteÃdos criados com formato especÃfico e personalizado, ou adaptado para atender suas necessidades e preferÃncias no uso da web, as redes convergentes sensÃveis ao contexto incorporam uma promissora tecnologia para permitir aplicaÃÃes de serviÃos personalizados a mÃltiplos usuÃrios. O projeto C-CAST (Context Casting) (C-CAST, 2012) foi estabelecido para arquiteturas de redes convergentes sensÃveis ao contexto para suportar sessÃes com qualidade de serviÃo (QoS - Quality of Service) de forma garantida a mÃltiplos usuÃrios, simultaneamente, independentemente de suas tecnologias de conexÃo sem fio. O mecanismo de controle do C-CAST Legado introduz questÃes de degradaÃÃo de desempenho, visto que a abordagem de sinalizaÃÃo adotada à direcionada por fluxo. Isto significa que a carga de sinalizaÃÃo aumenta exponencialmente com o nÃmero de admissÃes de fluxo. Este trabalho propÃe o C-CAST AvanÃado, o qual aperfeiÃoa o sistema do C-CAST Legado pela extensÃo de mecanismos inovadores que integram um controle dinÃmico da largura de banda sobreaprovisionada por classes de serviÃo e alocaÃÃo de Ãrvores overlay. Por meio dessa estratÃgia, busca-se reduzir taxas de sinalizaÃÃo de controle e alocaÃÃo de recursos em todo o sistema. A avaliaÃÃo do C-CAST AvanÃado à conduzida por meio de simulaÃÃo, demonstrando seus benefÃcios em relaÃÃo ao C-CAST Legado, por otimizar significativamente os nÃveis de desempenho de todo o sistema de rede, enquanto mantÃm usuÃrios com a melhor percepÃÃo de qualidade. / Due to the increase demand of mobile users for content created in a specific and customized way, or adapted to comply with the needs and preferences in web usage, converged networks which are context-sensitive have been incorporated to a promising technology and enabled applications of personalized services to multiple users. The C-CAST project (Context Casting) was established to converged network architectures to support context-sensitive sessions with quality of service (QoS - Quality of Service) in a manner to guarantee to multiple users simultaneously, regardless of their wireless technologies. The C-CAST control mechanism of the Legacy introduces issues of performance degradation, once the signaling approach adopted is directed per-flow, which means that the signaling load increases exponentially with the number of admissions flow. This work proposes the Advanced of C-CAST, which reconstruct the C-CAST legacy system by the extent of innovative mechanisms that integrate dynamic control of provisioned bandwidth by the service classes and allocation overlay trees. Through this strategy, it seeks to reduce rates of control signaling and allocating resources throughout the system. The C-CAST Advanced evaluation is conducted through simulation, demonstrating its benefits in relation to C-CAST Legacy, by significantly optimization the performance levels of the entire network system while keep the network users with the best quality perception.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Cooperation diversity and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) are two key technologies for the modern wireless communication systems. The cooperative communication systems considered through this work use the OFDM technology and they are composed of: one transmitter with a nonlinear power amplifier (PA), one or more amplify-and-forward (AF) relays, also having a nonlinear PAs, and one destination node. In this dissertaion, it is initially proposed an optimal receiver, in the signal to noise ratio (SNR) sense, for a nonlinear cooperative AF system. The proposed receiver uses the maximum ratio combining (MRC) diversity technique to combine the received signas, assuming that both the source-destination and source-relay-destination links are available. In the sequel, closed-form expressions for the instantaneous SNR and outage probability of the considered system are developed. The outage analysis is then extended to the case of a multi-hop system, that is, with multiple serial relays. Finally, an outage analysis is also proposed for a nonlinear AF OFDM system using a Selection Combining receiver, considering two cases: one relay and multiple parallel relays. Numerical simulation results are presented through the work, evaluating the performance of the proposed receiver and theoretical expressions. / A diversidade cooperativa e a multiplexaÃÃo por divisÃo de frequÃncias ortogonais (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) sÃo duas das principais tecnologias para os sistemas de comunicaÃÃo sem fio modernos. Os sistemas de comunicaÃÃo cooperativos considerados neste trabalho de dissertaÃÃo utilizam a tecnologia OFDM e possuem: uma fonte com amplificador de potÃncia nÃo linear, um ou mais repetidores (relays) do tipo amplifica-e-encaminha (Amplify-and-Forward - AF), tambÃm com amplificadores de potÃncia (Power Amplifier - PA) nÃo lineares, e um nà destino. PropÃe-se inicialmente um receptor Ãtimo, no sentido da razÃo sinal ruÃdo (Signal-to-Noise Ratio - SNR) para um sistema OFDM cooperativo nÃo linear. Usando a tÃcnica de diversidade por combinaÃÃo de razÃo mÃxima (Maximal Ratio Combining - MRC) para tratar os sinais recebidos, o receptor proposto considera tanto as informaÃÃes oriundas do caminho direto (fonte-destino) como as provenientes do repetidor. Posteriormente, sÃo apresentadas expressÃes para o cÃlculo da SNR instantÃnea e da probabilidade de outage do sistema proposto. Fez-se ainda, uma proposta de expressÃo para o cÃlculo da probabilidade de outage do sistema considerando mÃltiplos relays em sÃrie. Por fim, propÃe-se expressÃes para o cÃlculo da probabilidade de outage do sistema utilizando receptor Selection Combining para um e para mÃltiplos relays dispostos paralelamente. Resultados de simulaÃÃo sÃo apresentados durante todo o trabalho, evidenciando o desempenho do receptor e das expressÃes propostas.

nÃo hà / De modo a suprirem o aumento de trÃfego previsto para os prÃximos anos, os sistemas de comunicaÃÃes mÃveis da prÃxima geraÃÃo contam com tecnologias avanÃadas, como mÃltiplas subportadoras ortogonais e coordenaÃÃo entre pontos de transmissÃo. Os recursos de rÃdio passam a ser organizados em um nÃmero maior de dimensÃes, tornando mais complexas tarefas como a alocaÃÃo de recursos e a avaliaÃÃo de desempenho do enlace. Com base em tÃcnicas de aprendizagem de mÃquinas, foram investigadas novas maneiras de abordar essas tarefas, de modo a realizÃ-las eficientemente. Esta tese traz duas propostas: (i) agrupamento de pontos de transmissÃo e (ii) realizaÃÃo de interface enlace-a-sistema. Na proposta (i), utiliza-se o algoritmo k-mÃdias para identificar os vetores de forÃa do sinal similares, resultando em reduÃÃo na complexidade de cooperaÃÃo. Na proposta (ii), utilizam-se redes neurais artificiais para que o comportamento de simulaÃÃes de enlace possa ser aprendido, resultando em uma interface enlace-a-sistema mais confiÃvel para certas situaÃÃes na regiÃo de borda de cÃlula. Os resultados obtidos em ambas as propostas confirmam a aprendizagem de mÃquinas como abordagem apropriada aos problemas tratados, sendo capaz de conduzir a interpretaÃÃes alternativas e soluÃÃes eficientes. / In order to bear the growth in the traffic volume expected for the coming years, the next generation of mobile communication systems relies on advanced technologies such as multiple orthogonal subcarriers and coordination of multiple transmission points. The radio resources are organized in a higher number of dimensions, making resource allocation and assessment of link-level performance more complex tasks. Based on techniques from machine learning, we investigated novel ways of addressing these tasks in order to perform them efficiently. This thesis provides two proposals: (i) clustering of transmission points and (ii) design of a link-to-system interface. In proposal (i), the k-means algorithm is used to identify the strength signal vectors that are similar to each other, leading to a decrease on the cooperation complexity. In proposal (ii), we make use of artificial neural networks to learn the behavior of link-level simulations, resulting in a link-to-system interface more reliable for certain situations on the cell-edge region. The results obtained in both proposals confirm machine learning as an appropriate approach to the problems addressed, being able to lead to alternative interpretations and efficient solutions.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Este trabalho se propÃe a investigar e propor diferentes tÃcnicas de estimaÃÃo de canal de mÃltiplas entradas e mÃltiplas saÃdas (MIMO) para sistemas de comunicaÃÃo multiusuÃrio operando em regime de interferÃncia em cenÃrio de mÃltiplas cÃlulas. AtenÃÃo particular à dada ao caso onde as estaÃÃes rÃdio-base sÃo equipadas com arranjos de antenas apresentando grande quantidade de antenas, configurando o que se tem referido na literatura como sistemas de comunicaÃÃo MIMO de grande dimensÃo (VL-MIMO, do inglÃs: very large MIMO). Algumas destas tÃcnicas exploram as propriedades das grandes matrizes aleatÃrias e sÃo menos afetadas pela contaminaÃÃo de pilotos. Nesta dissertaÃÃo, os parÃmetros do canal VL-MIMO sÃo estimados a partir de uma decomposiÃÃo em autovalores (EVD, do inglÃs: eigenvalue-decomposition) da matriz de covariÃncia na saÃda do arranjo de antenas receptoras. Esta tÃcnica se mostra menos sensÃvel à presenÃa de interferÃncia do que outras que nÃo exploram propriedades especÃficas da matriz de canal VL-MIMO, como à o caso da soluÃÃo clÃssica dos mÃnimos quadrados (LS, do inglÃs: least-squares). Nesse contexto, propÃe-se ainda uma soluÃÃo para o fator de ambiguidade multiplicativa do mÃtodo baseado em EVD, utilizando um simples produto de Khatri-Rao. Na segunda parte desta dissertaÃÃo, as propriedades dos sistemas VL-MIMO sÃo empregadas num problema de localizaÃÃo de fontes, a fim de determinar a direÃÃo de chegada (DOA) dos sinais incidentes sobre o arranjo, provenientes da cÃlula em questÃo. Explorando o subespaÃo de representaÃÃo dos sinais interferentes, propÃe-se o uso de um algoritmo de classificaÃÃo de tipo MUSIC para estimar a matriz de canal de forma cega. O mÃtodo proposto converte os altos ganhos de resoluÃÃo dos arranjos VL-MIMO em capacidade de reduÃÃo de interferÃncia, podendo fornecer estimativas do canal adequadas, mesmo sob nÃveis fortes de interferÃncia e tambÃm em casos onde os sinais do usuÃrio desejado e dos interferentes sÃo altamente correlacionados espacialmente. Extensas campanhas de simulaÃÃo computacional foram realizadas, dandoum carÃter exploratÃrio a esta dissertaÃÃo no sentido de abranger diferentes cenÃrios e avaliar as tÃcnicas investigadas em comparaÃÃo com soluÃÃes jà consolidadas, permitindo assim a elaboraÃÃo de um panorama mais completo de caracterizaÃÃo dos problemas de estimaÃÃo de parÃmetros no caso VL-MIMO. / The aim of this dissertation is mainly to investigate and propose different channel estimation techniques for a multicell multiuser multiple-input multiple-output (MIMO) communication system. Particular attention is payed to the case that is referred to as very large (VL) MIMO (VL-MIMO) arrays, where the base stations are equipped with a great (or even huge) number of antenna sensors. Some of these techniques exploit properties issued from the (large) Random Matrices Theory and are therefore less affected by the so-called pilot contamination effect. In this work, the parameters of the VL-MIMO channel are estimated from the eigenvalue decomposition (EVD) of the output covariance matrix of the receive antenna array. This technique is more robust to the interference of signals from other cells compared with methods that do not exploit the specific properties of the VL-MIMO channel matrix, which is the case of the classical least squares (LS) solution. In this context, this work also proposes a simpler way to resolve the scaling ambiguity remaining from the EVD-based method using the Khatri-Rao product. The second part of this dissertation exploits the VL-MIMO properties on a source localization problem, aiming to determine the direction of arrival (DoA) of the signals impinging on the antenna array from a given desired cell. Based on the subspace representation of the outer cell interference signals, we propose a new blind MUSIC-like classification algorithm to estimate the channel matrix. The proposed technique convert the high resolution gains of the VL-MIMO arrays into ability to reduce power of undesired signals, yielding good channel estimates even under high interference power levels, and including cases where desired and undesired signals are strongly correlated. Computer simulations have been done in order to cope with different situations and propagation scenarios, thus yielding an exploratory character to our research and allowing us to evaluate and assess the investigated algorithms, comparing them to consolidated solutions in order to establish a complete overview of the parameter estimation problem in the VL-MIMO case.

Laboratoire I3S/CNRS / Os sistemas de telecomunicaÃÃes atuais oferecem servios que demandam taxas de transmissÃo muito elevadas. O problema da identificaÃÃo de canal aparece nesse contexto com um problema da maior importÃncia. O uso de tÃcnicas cegas tem sido de grande interesse na busca por um melhor compromisso entre uma taxas binÃria adequada e a qualidade da informaÃÃo recuperada. Apoiando-se em propriedades especiais dos cumulantes de 4a ordem dos sinais à saÃda do canal, esta tese introduz novas ferramentas de processamento de sinais com aplicaÃÃes em sistemas de comunicaÃÃo rÃdio-mÃveis. Explorando a estrutura simÃtrica dos cumulantes de saÃda, o problema da identificaÃÃo cega de canais à abordado a partir de um modelo multilinear do tensor de cumulantes 4a ordem, baseado em uma decomposiÃÃo em fatores paralelos (Parafac). No caso SISO, os componentes do novo modelo tensorial apresentam uma estrutura Hankel. No caso de canais MIMO sem memÃria, a redundÃncia dos fatores tensoriais à explorada na estimaÃÃo dos coeficientes dos canal. Neste contexto, novos algoritmos de identificaÃÃo cega de canais sÃo desenvolvidos nesta tese com base em um problema de otimizaÃÃo de mÃnimos quadrados de passo Ãnico (SS-LS). Os mÃtodos propostos exploram plenamente a estrutura multilinear do tensor de cumulantes bem como suas simetrias e redundÃncias, evitando assim qualquer forma de prÃ-processamento. Com efeito, a abordagem SS-LS induz uma soluÃÃo baseada em um Ãnico procedimento de minimizaÃÃo, sem etapas intermediÃrias, contrariamente ao que ocorre na maior parte dos mÃtodos existentes na literatura. Utilizando apenas os cumulantes de ordem 4 e explorando o conceito de Arranjo Virtual, trata-se tambÃm o problema da localizaÃÃo de fontes, num contexto multiusuÃrio. Uma contribuÃÃo original consiste em aumentar o nÃmero de sensores virtuais com base em uma decomposiÃÃo particular do tensor de cumulantes, melhorando assim a resoluÃÃo do arranjo, cuja estrutura à tipicamente obtida quando se usa estatÃsticas de ordem 6. Considera-se ainda a estimaÃÃo dos parÃmetros fÃsicos de um canal de comunicaÃÃo MIMO com muti-percursos. AtravÃs de uma abordagem completamente cega, o canal multi-percurso à primeiramente tratado como um modelo convolutivo e uma nova tÃcnica à proposta para estimar seus coeficientes. Esta tÃcnica nÃo-paramÃtrica generaliza os mÃtodos previamente propostos para os casos SISO e MIMO (sem memÃria). Fazendo uso de um formalismo tensorial para representar o canal de multi-percursos MIMO, seus parÃmetros fÃsicos podem ser obtidos atravÃs de uma tÃcnica combinada de tipo ALS-MUSIC, baseada em um algoritmo de subespaÃo. Por fim, serà considerado o problema da determinaÃÃo de ordem de canais FIR, particularmente no caso de sistemas MISO. Um procedimento completo à introduzido para a detecÃÃo e estimaÃÃo de canais de comunicaÃÃo MISO seletivos em freqÃÃncia. O novo algoritmo, baseado em uma abordagem de deflaÃÃo, detecta sucessivamente cada fonte de sinal, determina a ordem de seu canal de transmissÃo individual e estima os coeficientes associados. / Les systÃmes de tÃlÃcommunications modernes exigent des dÃbits de transmission trÃs ÃlevÃs. Dans ce cadre, le problÃme dâidentification de canaux est un enjeu majeur. Lâutilisation de techniques aveugles est dâun grand intÃrÃt pour avoir le meilleur compromis entre un taux binaire adÃquat et la qualità de lâinformation rÃcupÃrÃe. En utilisant les propriÃtÃs des cumulants dâordre 4 des signaux de sortie du canal, cette thÃse introduit de nouvelles mÃthodes de traitement du signal tensoriel avec des applications pour les systÃmes de communication radio-mobiles. En utilisant la structure symÃtrique des cumulants de sortie, nous traitons le problÃme de lâidentification aveugle de canaux en introduisant un mod`ele multilinÃaire pour le tenseur des cumulants dâordre 4, basà sur une dÃcomposition de type Parafac. Dans le cas SISO, les composantes du modÃle tensoriel ont une structure de Hankel. Dans le cas de canaux MIMO instantanÃs, la redondance des facteurs tensoriels est exploitÃe pour lâestimation des coefficients du canal. Dans ce contexte, nous dÃveloppons des algorithmes dâidentification aveugle basÃs sur une minimisation de type moindres carrÃs à pas unique (SS-LS). Les mÃthodes proposÃes exploitent la structure multilinÃaire du tenseur de cumulants aussi bien que les relations de symÃtrie et de redondance, ce qui permet dâÃviter toute sorte de traitement au prÃalable. En effet, lâapproche SS-LS induit une solution basÃe sur une seule et unique procÃdure dâoptimisation, sans les Ãtapes intermÃdiaires requises par la majorità des mÃthodes existant dans la littÃrature. En exploitant seulement les cumulants dâordre 4 et le concept de rÃseau virtuel, nous abordons aussi le problÃme de la localisation de sources dans le cadre dâun rÃseau dâantennes multiutilisateur. Une contribution originale consiste à augmenter le nombre de capteurs virtuels en exploitant un arrangement particulier du tenseur de cumulants, de maniÃre à amÃliorer la rÃsolution du rÃseau, dont la structure Ãquivaut à celle qui est typiquement issue de lâutilisation des statistiques dâordre 6. Nous traitons par ailleurs le problÃme de lâestimation des paramÃtres physiques dâun canal de communication de type MIMO à trajets multiples. Dans un premier temps, nous considÂerons le canal à trajets multiples comme un modÃle MIMO convolutif et proposons une nouvelle technique dâestimation des coefficients. Cette technique non-paramÃtrique gÃnÃralise les mÃthodes proposÃes dans les chapitres prÃcÃdents pour les cas SISO et MIMO instantanÃ. En reprÃsentant le canal multi-trajet à lâaide dâun formalisme tensoriel, les paramÃtres physiques sont obtenus en utilisant une technique combinÃe de type ALS-MUSIC, basÃe sur un algorithme de sous-espaces. Enfin, nous considÃrons le problÃme de la dÂetermination dâordre de canaux de type RIF, dans le contexte des systÃmes MISO. Nous introduisons une procÃdure complÃte qui combine la dÃtection des signaux avec lâestimation des canaux de communication MISO sÃlectifs en frÃquence. Ce nouvel algorithme, basà sur une technique de dÃflation, est capable de dÃtecter successivement les sources, de dÃterminer lâordre de chaque canal de transmission et dâestimer les coefficients associÂes.