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Y-branch optical wavelength multidemultiplexers by ion-exchange in glassXiang, Feng. January 1995 (has links)
A simple and accurate multisheet Brewster angle measurement technique has been developed to measure substrate indices. Both K$ sp+$ and Ag$ sp+$ ion-exchanged optical waveguides in glass substrates were characterized for infrared wavelengths $ lambda=1.152$ and 1.523$ mu m.$ For the characterization of Ag$ sp+$ ion-exchange waveguide, the WKB method has been modified to handle the index truncation point at the waveguide boundary inside the substrate accurately. An explicit and stable finite-difference vector beam propagation method has also been developed for efficient numerical simulations of the guided-wave optical devices. / A modified Y-branch wavelength multi/demultiplexer (abbreviated as WDM) for $ lambda=1.31$ and 1.55 $ mu m$ was designed and optimized by the beam propagation method (abbreviated as BPM). The device, made by K$ sp+$ ion-exchange in glass with a sputtered Al$ rm sb2O sb3$ strip on one branch, can provide high extinction ratios and wide bandwidth. It was successfully fabricated. The measured results of over 20db extinction ratio agree well with the BPM design simulations. A new Y-branch WDM made by K$ sp+$ and Ag$ sp+$ ion-exchanges was proposed and fabricated. It eliminates a difficult fabrication process, involving an Al$ rm sb2O sb3$ strip waveguide, and still provides the other merits of the first device. Its feasibility has been experimentally established. To simplify the fabrication process further, an asymmetric Mach-Zehnder WDM by one step ion-exchange for both two-wavelength and three-wavelength ($ lambda=0.98 mu$m being the third wavelength) was proposed. The BPM simulations show some improvements in several aspects over other types of demultiplexers.
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Toward discrete geometric models for early visionIverson, Lee A. (Lee Allan) January 1994 (has links)
Early vision is usually considered to involve the description of geometric structure in an image or sequence of images. Whether biological or artificial, the behavioural constraints on real-time visual systems typically require that this first stage of visual processing be fast, reliable, general and automatic. The design of a visual system which is general enough to handle a wide variety of tasks is thus most likely to be highly parallel, and involve distributed representations of geometric objects. In this work, we investigate some of these general principles and propose both general methodology and specific applications. / We build on a general theory of distributed, local representations which we call thick traces. Thick trace descriptions of continuous graphs preserve topological properties such as connectivity, and allow for the descriptions of multi-valued mappings. / Local operators for extracting image curves have been a focus of machine vision research for twenty years. Considered in the context of thick traces, however, we can reassess the goals of these operators and provide a clear description of when they should respond positively and when they should not. In order to achieve this behaviour, we develop an algebra, the Logical/Linear algebra, which incorporates features of both Boolean and linear algebra into a set of non-linear combinators. This algebra is then used to design a family of local operators which explicitly test the logical preconditions underlying the definition of an image curve. / Relaxation labelling is a highly parallel, distributed method of extracting consistent structures from a set of labels. There is a natural match between the representations used in relaxation labelling and thick traces. We exploit this connection by developing a general method for relaxing a set of potentially noisy initial estimates of thick traces (as produced by image operators) into descriptions which are thick traces of geometric models. Furthermore we show how such a system can interpolate into gaps in the traces while simultaneously respecting legitimate discontinuities and boundaries. / Finally, we apply these methods to two problems in early vision: the description of curves and texture flow fields. For image curves, the resulting descriptions of piecewise smooth curves include both local orientation and curvature information. The entire process accurately describes end-points, corners, junctions and bifurcations by allowing many consistent traces to be incident on a single point in the image. / The term texture flow is used to describe a class of static textures with locally parallel dense orientation structure (e.g. Glass or hair patterns). We derive a geometric model of these textures from a smooth non-deforming velocity field. Initial operators and a relaxation network are then defined to interpolate dense, piecewise smooth flow from sparse inputs. The resulting system produces accurate descriptions even in the presence of discontinuities, holes, and overlapping textures.
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Fast identification for robust adaptive control : a metric complexity approachLin, Lin January 1993 (has links)
In this thesis, the problem of fast identification is formulated in the framework of the theory of metric complexity. Several complexity issues of fast identification are investigated. / Experiment design and model selection, two important components for achieving fast identification, are separated by splitting the estimation error into inherent and representation errors, which are functions of the experiment and the model sets respectively. The optimal inherent error, a measure of the time complexity of identification, is introduced as a notion of n-width (time n-width) related to the Gel'fand n-width. The optimal representation error is related to the Kolmogorov n-width. Estimates of the various n-widths are obtained systematically for a class of data sets covering many cases encountered in practical control problems. / The input design problem is further explored in cases where the input can be designed only to the extent of modifying its ensemble properties. The identifying capability of an input ensemble is characterized in general in terms of the gap metric. This general characterization is reduced to a certain spectrum flatness property of the input in the case of finite impulse response models. Bounds on the inherent error are given in terms of the n-width and spectrum flatness. Several robust identification algorithms are proposed as well. / It is shown that in the continuous-time case, although it is possible to identify a system arbitrarily accurately on an arbitrarily short time interval by increasing the sampling rate and signal-to-noise ratio, the identification speed is limited for a fixed signal-to-noise ratio. An asymptotically accurate lower bound on the optimal identification speed is given, again in terms of Gel'fand n-width. A logarithmic integral characterization for the optimal inputs is obtained via the theory of quasianalytic functions. The representation and estimation problems for continuous-time systems are reduced to a discrete-time case. A casual reconstruction procedure is given, together with an error estimate. / Finally, the results on fast identification are applied to systems in which the law governing the evolution of the uncertain elements is not time invariant. Such systems can not be identified accurately. The inherent error is bounded in the case of slow time-variation and shown to increase with the variation rate.
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Graphene as a mechanical or electrical transducer for far-infrared / terahertz detectionLedwosinska, Elzbieta January 2013 (has links)
We endeavour to fill the "THz gap" in highly performing detectors by employing graphene's mechanical properties in a miniature Golay cell, and hydrogenated graphene's electrical properties in a microbolometer. The Golay cell is the most sensitive room- temperature THz detector on the market, but requires miniaturization as the first step of integration into an imaging array. Currently, ultra-thin membranes for miniature Golay cells suffer diminishing responsivity as the lateral dimensions are reduced. We propose graphene as the ideal membrane material, whereby its minimal elastic stiffness due to its monoatomic nature allows scaling to the microscopic scale. We simulate membrane deflection versus temperature and analyze the optimal cell geometry for maximum performance, with a predicted three-fold increase in sensitivity over current technology four times larger. To fabricate the cell, we developed the first organic-free method to suspend graphene over 10 − 20 μm apertures. Auger electron and Raman spectroscopy, and scanning electron and transmission electron microscopy (TEM) confirm high quality graphene with no measurable contamination beyond that from air exposure. This method applies not only to construct the cell, but also for fundamental studies of graphene where the utmost cleanliness and structural integrity are crucial. Furthermore, our method finds commercial value as the long-sought graphene TEM grid. We present a theoretical analysis of interferometric optical read-out. We then implement atomic force microscopy to mechanically characterize and report the temperature-dependent deflection (up to 60◦C) of our cell, demonstrating a functioning proof-of-concept device. Finally, we examine and utilize the exquisite thermal properties of hydrogenated graphene to produce a microbolometer with responsivity of R ≈ 10^5 V/W, in fair competition with commercially available Si bolometers. / Nous tentons de remplir "le trou THz" pour les détecteurs hautes performance en utilisant les propriétés mécaniques du graphène dans une cellule miniature de Golay ainsi que les propriétés électriques du graphène hydrogéné dans un microbolomètre. La cellule de Golay est le détecteur le plus sensible de THz à température pièce sur le marché, mais requiert une miniaturisation comme première étape d'intégration à une grille d'imagerie. En ce moment, des membranes ultra minces pour des cellules de Golay miniatures souffrent de responsivité diminuée lorsque les dimensions latérales sont réduites. Nous proposons le graphène comme candidat idéal pour la membrane, car sa dureté élastique minimale grâce à sa nature monoatomique permet un agrandissement jusqu'à l'échelle microscopique. Nous simulons la déflection de la membrane en fonction de la température et analysons la géométrie de cellule optimale avec une sensibilité prédite de tripler par rapport à la technologie actuelle qui est quatre fois plus grande. Afin de fabriquer cette cellule, nous avons développé la première méthode de transfert de graphène suspendu sans organiques sur une échelle de 10 − 20 μm. La microscopie Raman, Auger, à balayage électronique et à transmission électronique (TEM) confirment du graphène de haute qualité sans aucune contamination à part celle de l'air ambiant. Cette méthode s'applique non seulement pour construire la cellule, mais aussi pour des études fondamentales du graphène ou la propreté est d'une importance capitale. Par ailleurs, nos méthodes culminent dans une application commerciale soit celle d'une grille TEM à base de graphène. Nous présentons une analyse théorique de lecture optique interférométrique. Nous implémentons ensuite de la microscopie par force atomique afin de caractériser mécaniquement et rapporter la déflection à température pièce (jusqu'à 60◦C) de notre cellule, démontrant ainsi la validation du concept. Finalement, nous examinons et utilisons les propritétés thermiques du graphène hydrogéné afin de produire un microbolomètre avec une responsivité de R ≈ 10^5 V/W, ce qui est comparable avec des bolomètres commerciaux à base de Si.
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Spectrally-efficient approaches to channel estimation for amplify-and-forward two-way relay networksAbdallah, Saeed January 2013 (has links)
Relay networks constitute one of the key technologies that are being developed for use in next generation wireless systems. In relay networks, the communication between the source and the destination is aided by dedicated nodes (relays) that convey the source's message to the destination. The use of relays improves the coverage, capacity and reliability in the network. Two-way relay networks (TWRNs) have recently been proposed to support bidirectional communication and have attracted the attention of many researchers because of their high spectral efficiency. In particular, TWRNs employing the amplify-and-forward (AF) protocol are appealing because of the minimal processing requirements at the relay. Effective operation of AF TWRNs requires accurate channel state information for self-interference cancellation and coherent decoding. The majority of works on channel estimation for AF TWRNs follow the training-based approach, which requires the transmission of pilots known to both terminals. The training-based approach consumes much needed bandwidth resources, which undermines the spectral efficiency of TWRNs. Blind channel estimation avoids the costly training burden by relying only on the received data samples. Another alternative approach is semi-blind estimation, a hybrid of blind and training-based approaches. The main objective of this thesis is to investigate blind and semi-blind channel estimation for AF TWRNs as a means for achieving substantially better tradeoffs between accuracy and spectral efficiency than possible using the training-based approach. In the first part of the thesis, we consider blind channel estimation for flat-fading channel conditions. Using the deterministic maximum likelihood (DML) approach, we propose new algorithms for blind channel estimation in AF TWRNs that employ constant-modulus signalling. Assuming M-PSK modulation, we prove that the proposed estimators are consistent and approach the true channel with high probability at high SNR. Using simulations, we show that the DML estimator offers a superior tradeoff between accuracy and spectral efficiency than the pilot-based LS estimator. Still within the context of flat-fading channels, the second part of the thesis focuses on semi-blind channel estimation. We derive the exact CRB for semi-blind channel estimation in AF TWRNs that employ square QAM. The derived bound is based on the true likelihood function that incorporates the exact statistics of the transmitted data symbols. Using the new bound, we show that the training overhead can be significantly reduced by employing semi-blind estimation. To demonstrate the achievability of these gains, we derive an expectation maximization (EM)-based semi-blind algorithm that performs very closely to the derived CRB. In the last part of the thesis, we consider semi-blind channel estimation for OFDM-based TWRNs operating in frequency selective channel conditions. To assist in the estimation of the individual channels, superimposed training is adopted at the relay. Our proposed semi-blind estimation algorithm is based on the Gaussian ML approach. We design the pilot vectors of the terminals and relay to optimize estimation performance. Our simulations show that the proposed method provides significant improvements in estimation accuracy. / Les réseaux à relais constituent l'une des technologies clé de la prochaine génération des systèmes de communication sans fil. Dans les réseaux à relais, la communication entre une source et une destination est assistée par des noeuds dédiés (ou relais) qui relayent lemessage de la source jusqu'à la destination. L'utilisation de relais améliore la couverture, la capacité et la fiabilité des réseaux. Les réseaux à relais bidirectionnels (two-way relay networks ou TWRNs) ont été récemment proposés et ont suscité l'intérêt de nombreux chercheurs à cause de leur grande efficacité spectrale. En particulier, les TWRNs utilisant le protocole de relayage amplifier-et-transférer (amplify-and-forward ou AF) sont attrayants à cause de leurs faibles exigences de traitement aux relais. Le bon fonctionnent des AF TWRNs nécessite une étape d'estimation précise du canal pour la suppression d'auto-interférence et pour le décodage cohérent. La plupart des travaux sur l'estimation du canal pour les AF TWRNs suivent l'approche basée sur l'entrainement, ce qui nécessite la transmission de pilotes connus des deux terminaux .Cette approche consomme de précieuses ressources de communication afin de transmettre les pilotes, ce qui compromet l'efficacité spectrale des TWRNs. L'estimation aveugle évite ce fardeau en se fiant seulement sur les données reçues. Une autre option est l'estimation semi-aveugle, une approche hybride de l'approche aveugle et de celle basée sur l'entrainement. L'objectif de cette thèse est d'examiner l'estimation aveugle et semi-aveugle du canal pour les AF TWRNs afin d'obtenir un meilleur compromi entre l'efficacité spectrale et la précision que que celui offert par l'approche basée sur l'entrainement. Dans la première partie de cette thèse, nous considérons l'estimation aveugle du canal pour des conditions d'évanouissement plat. Employant le principe du maximum de vraisemblance déterminée (deterministic maximum likelihood ou DML), nous proposons de nouveaux algorithmes pour l'estimation et la détection aveugle et conjointe du canal pour les AF TWRNs qui utilisent une signalisation à module constant. Supposant une modulation M-PSK, nous prouvons que les estimateurs proposés sont consistants et se rapprochent du vrai canal avec une grande probabilité lorsque le rapport signal sur bruit est élevé. En utilisant des simulations, nous montrons que le DML offre un meilleur compromis entre l'efficacité spectrale et la précision que l'estimateur LS employant des pilotes. Toujours en rapport avec l'évanouissement plat, la deuxième partie de cette thèse porte sur l'estimation semi-aveugle du canal. Nous établissons la CRB exacte pour l'estimation semi-aveugle du canal pour les AF TWRNs qui utilisent une constellation QAM carrée. Cette borne est basée sur la vraie fonction de vraisemblance qui tient compte des statistiques exactes des symboles de données transmis. En utilisant cette nouvelle borne, nous montrons que la complexité attribuable à l'entrainement peut être considérablement réduite en employant un estimation semi-aveugle. Afin de montrer que ces gains sont réalisables, nous concevons un algorithme semi-aveugle basé sur la méthode d'espérance maximisation (EM), et nous montrons que cet algorithme se rapproche tout près de la CRB. Dans la dernière partie de cette thèse, nous considérons l'estimation semi-aveugle pour les TWRNs qui sont basés sur l'OFDM et qui opèrent dans un environnement sélectif en fréquence. Pour faciliter l'estimation des canaux individuels, un entrainement superposé est adopté aux relais. L'algorithme semi-aveugle que nous proposons est basé sur le principe ML gaussien .Nous concevons des séquences pilotes pour les terminaux et pour les relais de façon à optimiser la performance de l'estimation. Nos simulations révèlent que la méthode proposée fournit une nette amélioration de la précision de l'estimation.
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High-frequency characterization and applications of graphene devicesSkulason, Helgi January 2013 (has links)
In this thesis, we have experimentally probed the microwave frequency electrodynamics of large area graphene, focussing on contactless measurements of graphene to extract material properties and implementation of non-reciprocal microwave devices. Our goal is to exploit interaction of graphene with electromagnetic waves in the microwave domain.By fabricating wideband graphene coplanar waveguides, we show that graphene has a constant wideband resistance from 17 Hz to 110 GHz due to negligible kinetic inductance and negligible skin effect up to 110 GHz. We characterize contact impedance between graphene and metal electrodes and our devices show that contact capacitance shorts the contact resistance above ~ 2 GHz, allowing for contactless measurements of graphene up to 110 GHz. We measured the magnetoconductance of large-area graphene under microwave excitation by employing Corbino disk geometry via the transfer of graphene films onto polished coaxial flanges. Our experimental setup allows for both passive and active graphene devices where the active devices are doped by field effect with an intrinsic silicon gate electrode transparent to microwaves. Magnetoconductive mobilities of ~ 1,000 cm2/Vs were extracted from a single component Drude model observed at high carrier density. An anomalous microwave magnetoresistance was also observed. We designed, fabricated and characterized a hollow waveguide isolator with a magnetically biased graphene acting as the non-reciprocal element via Faraday rotation. Our experimental setup allows for contactless characterization of conductivity, mobility and charge carrier density of the graphene film. Faraday rotation was measured up to 1.5° which resulted in isolation of 25 dB. We show that performance of the isolator can be improved by increasing carrier mobility in graphene. As the direction of Faraday rotation is contingent on majority charge carrier type in graphene, we give evidence that the isolation direction can be modulated and switched via field effect graphene device implemented in the hollow waveguide using a single low-power voltage source. We demonstrate the first voltage-tunable isolator with a maximum isolation of 47 dB and voltage-tunable isolation up to 26 dB. Our work suggests that other non-reciprocal devices such as circulators can be implemented compactly with graphene. / Dans cette thèse, nous avons expérimentalement sondé les micro-ondes électrodynamiques de graphène de grande surface, plus particulièrement les mesures de graphène sans contact pour en extraire les propriétés de la matière et la mise en œuvre de dispositifs non-réciproques générateurs de micro-ondes. Notre objectif consiste à exploiter l'interaction entre le graphène et les ondes électromagnétiques dans le domaine des micro-ondes. En fabriquant un guide d'ondes de graphène coplanaire à large bande, nous établissons que le graphène possède une résistance de large bande constante comprise entre 17 Hz et 110 GHz. Ceci est attribuable à l'inductivité cinétique et à l'effet pelliculaire négligeables jusqu'à 110 GHz. Nous décrivons l'impédance des contacts entre le graphène et les électrodes métalliques. Nos dispositifs démontrent que la capacitance de contact court-circuite la résistance de contact au-dessus de 2 GHz, permettant les mesures du graphène sans contact jusqu'à 110 GHz. Nous avons mesuré la conductivité magnétique du graphène à grande surface sous excitation de micro-ondes utilisant une géométrie de disque Corbino en transférant les films de graphène sur des embouts de câble coaxial polis. Notre installation permet l'utilisation de dispositifs de graphène actifs et passifs où les dispositifs actifs sont dopés par effet de champ avec une grille de silicium intrinsèque transparente aux micro-ondes. Nous avons extrait des mobilités à base de la conductivité magnétique autour de 1000 cm… en utilisant le model de Drude à une composante à haute densité. Une magnéto résistance atypique a également été observée. Nous avons créé, fabriqué et caractérisé un guide d'onde isolateur creux avec du graphène biaisé magnétiquement agissant comme élément non-réciproque par rotation de Faraday. Notre montage expérimentale permet la caractérisation sans contact de la conductivité, la mobilité et la densité de porteurs de charges du film de graphène. La rotation de Faraday a été mesuré jusqu'à 1.5 ce qui résulte en une isolation de 25dB. Nous démontrons que la performance de l'isolateur peut être améliorée en augmentant la mobilité dans le graphène. Étant donné que la direction de la rotation de Faraday dépend du signe du porteur de charge dominant dans le graphène, nous soumettons des données démontrant que la direction de l'isolation peut être modulée et changée en utilisant l'effet de champ implémenté dans le guide d'ondes creux avec une seule source de voltage à basse puissance. Notre travail suggère que d'autres dispositifs non-réciproques comme des circulateurs peuvent être implémentés de façon compacte avec du graphène.
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Wind power integration in electrical networks with transmission congestion: operational complications and efficient solutionsKalantari, Amir January 2013 (has links)
Nature's ecological and geophysical balance, security of supply, and access to affordable electrical energy are threatened by increasing reliance on diminishing fossil fuels. These threats have motivated the consideration of alternative energy options, most notably renewables. Thus, as a clean and relatively free energy resource fairly abundant in many areas of the world, wind has gained significant attention. Variability and uncertainty of wind power, however, bring about operational challenges such as frequent cycling and suboptimum operation of conventional generating units, more reserve requirement and reduced capacity factor as well as very high or very low (even negative) energy prices due to out of merit dispatch. The more congested the power grid is, the more severe the challenges are. The added variability and uncertainty also introduce complexities into simulation tools used to study these challenges and, most notably, into unit commitment. A major concern here is the added computational burden due to the numerous probable wind power scenarios that must be examined when scheduling the ensemble of generating units for the short-term (day-ahead) operation. The thesis first studies the short-term techno-economic complications of wind integration in congested power grids using both theory and simulations. A Trans-Canadian Grid is introduced as a potential real-world example of a nation-wide balancing area whose various benefits include facilitating large-scale wind power integration. The thesis then presents two efficient variations of the unit commitment with wind power generation; (i) reduced security-constrained unit commitment or R-SCUC and (ii) generalized sigma or G-Sigma unit commitment. The first variation is based on the concept of Loadability Sets and reduces the computational burden significantly by doing away with the reserve-deployment generation variables under each individual scenario. The second variation extends the traditional 3σ approach based on the extreme levels of the single-dimensional system residual demand (demand minus wind power) to one based on the extreme levels of the random multi-dimensional bus residual demands or, alternatively, the random multidimensional system residual demand and line power flows. Core to both of these variations are transmission constraints, an aspect not treated in earlier efforts. / L'équilibre écologique, la sécurité de l'approvisionnement, et l'accès à l'énergie électrique économique sont menacés par la dépendance croissante sur les combustibles fossiles, une source énergétique de plus en plus chère et introuvable. Ces inquiétudes ont motivé l'examen d'alternatives, notamment les énergies renouvelables. Or, étant une source d'énergie propre, relativement peu couteuse, et assez abondante à travers le monde, l'énergie électrique éolienne attire beaucoup d'attention. Cependant, la variabilité et l'incertitude du vent apportent des défis opérationnels tels que des fluctuations fréquentes et sous-optimales dans l'exploitation des unités conventionnelles de production. Pareillement, l'énergie électrique éolienne exige plus de réserve et donne lieu à un facteur de capacité réduit en plus qu'à des prix périodiquement très hauts ou très bas (mêmes négatifs) attribués à l'exploitation au-delà du point optimal. D'ailleurs, plus le réseau de transport est congestionné, plus les défis deviennent sévères. La variabilité et l'incertitude introduites par l'énergie éolienne augmentent également la complexité des outils de simulation utilisés pour étudier ces effets, particulièrement en ce qui concerne l'engagement des groupes pour chaque heure du jour suivant. Ce qui est particulièrement préoccupant est l'effort de calcul dû aux nombreux scénarios d'énergie éolienne qui doivent être examinés pour réaliser un tel ordonnancement. Par la voie théorique et par simulation, cette thèse étudie premièrement les complications techno-économiques à court-terme dû à l'intégration de l'énergie éolienne dans des réseaux électriques congestionnés. La notion d'un réseau transcanadien est introduite comme exemple d'un réseau couvrant un grand territoire exploité conjointement dont un avantage est la facilitation de l'intégration de l'énergie éolienne. La thèse présente alors deux variations efficaces du programme d'ordonnancement d'unités de génération en présence d'énergie éolienne : (i) l'ordonnancement sous contraintes de sécurité ou R-SCUC et (ii) l'ordonnancement par la méthode sigma généralisée. La première variation est basée sur le concept d'ensembles de faisabilité de la demande ce qui réduit la charge de calcul de façon significative en éliminant le besoin de calculer les variables de déploiement de réserve sous chaque scénario éolien. La deuxième variation étend l'approche traditionnelle 3σ basée sur les valeurs extrêmes de la demande résiduelle (demande moins production éolienne) du réseau à une méthode basée sur les valeurs extrêmes des demandes résiduelles aléatoires locales ou, alternativement, de la demande résiduelle aléatoire du réseau et des écoulements aléatoires de puissance à travers les lignes de transport. Dans ces variations, un aspect fondamental n'ayant pas été traité auparavant est la considération des contraintes de transport du réseau.
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Distributed opportunistic spectrum access via adaptive carrier sensing in cognitive radio networksDerakhshani, Mahsa January 2013 (has links)
The limitations of current static spectrum management policy drive the idea of a more dynamic access policy to improve the efficiency of radio spectrum usage and accommodate the increasing demand for wireless communication applications. Known as the opportunistic spectrum access (OSA), the new paradigm allows cognitive secondary users (SUs) to access the licensed spectrum, provided that the interference to the licensed primary users (PUs) is limited. In a cognitive radio network, since SUs are intended to track and take advantage of instantaneous spectrum opportunities, adaptive learning-based spectrum access schemes are desired to optimize spectrum utilization and ensure a peaceful coexistence of licensed and unlicensed systems. This thesis deals with the modeling, development and analysis of OSA schemes in a cognitive radio network from both SU and PU perspectives. The research objective is to maximize the overall throughput of SUs, while sufficiently protecting the ongoing operation of PUs.From the SU perspective, to avoid the high-risk data loss due to the random return of PUs, we present a dynamic hopping transmission strategy for SUs to access the temporarily idle frequency slots of a licensed frequency band, with adaptive activity factors. Upon applying the dual decomposition, the optimal activity factor allocation algorithm is developed. To facilitate spectrum sharing in a decentralized manner, we propose an adaptive carrier sense multiple access (CSMA) scheme. Based on the proposed CSMA scheme, learning-based distributed access algorithms for SUs are devised, including non-game-theoretic and game-theoretic approaches. The proposed algorithms can be independently performed by each SU to learn its optimal activity factors from the locally available information. To evaluate the effects of inevitable collisions among SUs in the proposed adaptive CSMA scheme, the collision probability and saturation throughput are studied by both analysis and simulation. Simulation results show significant performance improvements in terms of the achievable throughput compared to the conventional CSMA scheme. From the PU perspective, by applying the proposed access scheme to SUs, we study the interference caused by SUs to the PU due to miss-detection, and also its effects on the capacity-outage performance of the PU in a cognitive radio network. Based on the developed statistical models for the interference distribution, closed-form expressions for the capacity-outage probability of the PU are derived to examine the effects of various system parameters on the performance of the PU in the presence of interference from SUs. The model is extended to investigate the effects of cooperative sensing on the aggregate interference and the capacity-outage performance, considering OR (logical OR operation) and maximum likelihood cooperative detection techniques. / Les limites de la politique d'utilisation statique du spectre ont conduit à l'idée d'une politique d'accès plus dynamique pour améliorer l'efficacité du spectre radio utilisé et accommoder l'augmentation de la demande des applications de communication sans fils. Connu sous le nom d'accès opportuniste au spectre (AOS), ce nouveau model permet à un utilisateur secondaire (US) cognitif d'accéder à un spectre licencié, tout en limitant l'interférence de l'utilisateur primaire (UP) licencié. Dans un réseau radio cognitif, puisque les USs sont sensés traquer et profiter des instants d'opportunité spectrale, des schémas d'accès spectral basés sur l'apprentissage adaptatif sont désirés pour optimiser l'utilisation spectrale et assurer une parfaite coexistence entre les systèmes licenciés et non licenciés. Cette thèse se consacre à la modélisation, au développement et à l'analyse des schémas d'AOS dans les réseaux radio cognitif du point de vue des UP et US. L'objectif de cette recherche est de maximiser le flux total des USs, tout en protégeant suffisamment le fonctionnement de l'UP. Du point de vue de l'US, afin d'éviter un risque élevé de perte de données causée par le retour aléatoire de l'UP, nous présentons une stratégie de transmission basée sur le saut dynamique pour les USs afin d'accéder aux blocs de fréquences temporairement libres dans une bande licenciée, avec un facteur d'activité adaptatif. Lors de l'application de la double décomposition, un algorithme d'allocation optimale des facteurs d'activité est développé. Afin de faciliter le partage du spectre de manière décentralisée, nous proposons un schéma adaptif basé sur la technique CSMA (accès multiple avec détection de porteuses). En se basant sur le schéma proposé, des algorithmes d'accès distribués pour les USs basés sur l'apprentissage sont conçus, incluant des approches basées sur la théorie des jeux et d'autres non. Les algorithmes proposés peuvent être utilisés indépendamment par chaque US pour apprendre son facteur d'activité optimal à partir de l'information localement disponible. Pour évaluer les effets de collisions inévitables entre les USs dans le schéma CSMA proposé, la probabilité de collision et le flux de saturation sont étudiés analytiquement et à travers des simulations. Les résultats des simulations démontrent une amélioration considérable de performance, particulièrement de point de vue de débit réalisé par rapport à celui réalisé selon le CSMA conventionnel.Du point de vue de l'UP, nous employons le schéma d'accès proposé pour les USs, et étudions l'interférence causée par les USs aux UPs à la suite d'une erreur de détection, ainsi que ses effets sur la capacité de coupure de l'UP dans un réseau radio cognitif. En se basant sur les modèles statistiques de la distribution de l'interférence, des expressions exactes de la probabilité de la capacité de coupure pour l'UP sont dérivées afin d'examiner les effets des différents paramètres du système sur la performance de l'UP en présence des USs interférant. Le modèle est étendu pour investiguer les effets de la détection coopérative sur l'interférence totale et la capacité de coupure, en considérant l'operateur logique OR et une détection coopérative de maximum de vraisemblance.
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Fabrication and characterization of gallium nitride high electron mobility transistorsZhou, Wendi January 2013 (has links)
Compound semiconductor gallium nitride high electron mobility transistors (HEMTs) have significant potential for use in the electronics industry, including radar applications and microwave transmitters for communications. These wide band gap semiconductors have unique material properties that lead to devices with high power, efficiency, and bandwidth compared with existing technologies. In this work, the electrical properties of gallium nitride HEMTs on silicon substrates were studied in the context of drain characteristics and breakdown voltage. The design, fabrication, and characterization of different devices are presented, in addition to a discussion on the effects of annealing and different gate contact materials. While demonstrating considerable promise in the field of high power radio frequency (RF) applications, this technology is yet immature and several fabrication issues still need to be addressed. The goal of this work is to represent a stepping stone in further developing this technology to be used in high power devices. / Les transistors à haute fréquence (HEMTs) composés de nitrure de gallium (GaN) possède un énorme potentiel dans l'industrie de l'électronique, y compris les applications radar et les émetteurs à micro-ondes. Ces semi-conducteurs à large bande ont des propriétés matérielles uniques qui mènent à des appareils d'haute puissance, haute efficacité et possédant une bande passante élevée par rapport aux technologies existantes. Ce travail étudie les propriétés électriques des HEMTs de nitrure de gallium dans le contexte des caractéristiques de drain et de la tension de claquage. La conception, la fabrication et la caractérisation des HEMTs différents sont présentées, en plus d'une discussion sur les effets de différents matériaux de contact de grille et sur le recuit. Quoique cette technologie promet d'être fructueuse dans le domaine des radiofréquences (RF), elle demeure immature et les obstacles liés aux procédures de fabrication doivent être adressés. Dont, ce travail représente une étape dans le développement de cette technologie utilisable dans les appareils à haute puissance.
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Precoding designs in multiuser multicell wireless systems: competition and coordinationNguyen, Huu Ngoc Duy January 2013 (has links)
In a multicell system, universal frequency reuse can be employed in a network of neighboring cells for higher spectral efficiency. However, universal frequency reuse comes at the price of severe inter-cell interference (ICI), especially at cell- edge mobile stations (MS), which may effectively impair the overall system performance. To actively deal with the ICI, the emerging wireless communication standard advocates the concept of interference-aware multicell coordination. Known as coordinated multipoint transmission/reception (CoMP), the new paradigm allows the multicell system to actively control and even take advantage of the ICI. The objective of this research is to study the precoding perspectives in the multiuser multicell system with CoMP. Specifically, this research examines various precoding techniques and develops low-complexity and distributed algorithms in designing optimal precoders that either minimize the transmit power or maximize the sum-rate of the CoMP systems. In addition, this research brings new perspectives and understanding to the CoMP system where the interactions among the coordinated BSs are characterized under two operating modes: interference aware (IA) and interference coordination (IC).Under the IA mode, the multicell system is said to be in competition where each BS selfishly adapts its precoding strategies accordingly to the ICI. Naturally, the IA mode represents a strategic noncooperative game (SNG) with the BSs being the rational players, who try to maximize a certain utility for their connected MSs. This work characterizes the SNG played among the BSs by examining the existence and uniqueness of a stable operating point of the system, which is corresponding to a Nash equilibrium (NE) of the multicell game. The convergence to the NE and its efficiency are then thoroughly analyzed.Under the IC mode, the multicell systems are said to be in coordination where the transmissions from the BSs are coordinated to jointly maximize the performance gain of CoMP. Optimality and distributed implementation are key considerations for the precoding designs under the IC mode. In this work, we propose multicell precoding designs that jointly maximize the weighted sum-rate (WSR) of the coordinated multicell system. Due to the nonconvexity of the WSR optimization problems, we focus on the development of low-complexity convex approximation techniques to decompose them into a sequence of simpler convex problems, which can be solved distributively with local processing at each coordinated cell. Simulation results show significant performance improvements in terms of transmit power and achievable sum-rate by the IC mode over the IA mode. / Dans un système multicellulaire, la réutilisation universelle des fréquences peut être utilisée dans un réseau de cellules voisines pour une efficacité spectrale supérieure. Cependant, la réutilisation universelle des fréquences provoque de l'interférence intercellulaire (ICI) sévère, qui peuvent nuire à la performance globale du système, en particulier dans les stations mobiles (MS) qui se trouvent dans la périphérie de la cellule. Pour contrer activement l'ICI, la norme de communication sans fil émergente préconise le concept de coordination multicellulaire informée d'interférence. Connu comme coordonnée de transmission/réception multipoint (CoMP), ce nouveau paradigme permet au système multicellulaire de contrôler activement et même de profiter de l'ICI. L'objectif de cette recherche est d'étudier les méthodes de précodage dans le système multicellulaire multiutilisateur avec CoMP. Plus précisément, cette étude examine les diverses techniques de précodage et développe des algorithmes peu complexes et distribués afin de concevoir des précodeurs optimaux qui minimisent soit la puissance d'émission ou maximisent le débit cumulé des systèmes CoMP. De plus, cette recherche apporte des perspectives et des connaissances nouvelles pour le système CoMP où les interactions entre les stations de base coordonnées sont caractérisées en deux modes de fonctionnement: le mode informé d'interférence (IA) et le mode coordination d'interférence (IC).Dans le mode IA, le système multicellulaire est en état de compétition puisque chaque BS adapte égoïstement ses stratégies de précodage en conséquence de l'ICI. Naturellement,le mode IA représente un jeu non coopératif stratégique (SNG) dans lequel les stations de base sont les acteurs rationnels, qui tentent de maximiser une certaine utilité pour leurs MSs connectées. Ce mémoire caractérise le SNG disputé entre les stations de base en examinant l'existence et l'unicité d'un point de fonctionnement stable du système, qui correspond à un équilibre de Nash (NE) du jeu multicellulaire. La convergence vers le NE et son efficacité sont ensuite soigneusement analyées.Dans le mode IC, les systèmes multicellulaires sont censés être en coordination puisque les transmissions de la BS sont coordonnées afin de maximiser conjointement le gain de performance de CoMP. L'optimalité et la mise en oeuvre décentralisée sont des considérations fondamentales pour la conception de précodages sous le mode IC. Dans ce mémoire, nous proposons des conceptions de précodage multicellulaires qui maximisent conjointement la somme pondérée du débit (WSR) du système multicellulaire coordonné. En raison de la non-convexité des problèmes d'optimisation WSR, nous nous concentrons sur le développement de techniques d'approximation convexes à faible complexité pour les décomposer en une série de problèmes convexes simples, qui peuvent être résolus de façon distributive avec la transformation locale au niveau de chaque cellule coordonnce. Les résultats de simulation montrent une amélioration significative des performances en termes de puissance d'émission et de somme des débits réalisables par le mode IC sur le mode IA.
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