The trend towards personalized ubiquitous computing has led to the advent of a new generation of wireless technologies, namely wireless body area networks (WBANs), which connect the wearable devices into the Internet-of-Things. This thesis considers the problems of relay selection and power control in fading WBANs with energy-efficiency and security considerations. The main body of the thesis is formed by two papers. Ideas from probability theory are used, in the first paper, to construct a performance measure signifying the energy efficiency of transmission, while in the second paper, information-theoretic principles are leveraged to characterize the transmission secrecy at the wireless physical layer (PHY). The hypothesis is that exploiting spatial diversity through multi-hop relaying is an effective strategy in a WBAN to combat fading and enhance communication throughput. In order to analytically explore the problems of optimal relay selection and power control, proper tools from game theory are employed. In particular, non-cooperative game-theoretic frameworks are developed to model and analyze the strategic interactions among sensor nodes in a WBAN when seeking to optimize their transmissions in the uplink. Quality-of-service requirements are also incorporated into the game frameworks, in terms of upper bounds on the end-to-end delay and jitter incurred by multi-hop transmission, by borrowing relevant tools from queuing theory. The proposed game frameworks are proved to admit Nash equilibria, and distributed algorithms are devised that converge to stable Nash solutions. The frameworks are then evaluated using numerical simulations in conditions approximating actual deployment of WBANs. Performance behavior trade-offs are investigated in an IEEE 802.15.6-based ultra wideband WBAN considering various scenarios. The frameworks show remarkable promise in improving the energy efficiency and PHY secrecy of transmission, at the expense of an admissible increase in the end-to-end latency.

Prevailing propagation phenomena in certain areas play a vital role in deciding terrestrial wireless systems performance. Vertical refractivity profile below 1 km is a critical parameter for designing reliable systems; noting that there is a shortage of upper-air data worldwide. Anomalous phenomena may cause severe signal fading and interference beyond the horizon. The objectives of this thesis are to investigate dominant refractive conditions in the subtropical Arabian Gulf region, develop new approaches and empirical models for evaluating vertical refractivity profiles and relevant propagation parameters in the low troposphere, and to examine the impact of frequently experienced anomalous phenomena on terrestrial microwave links. Twenty-three years of meteorological measurements, from 1990 to 2013, are utilized using spatially separated surface stations and a single radiosonde in the United Arab Emirates (UAE). Profiles of sea level, surface and upper refractivity components are statistically analysed. Three major atmospheric layers; namely 65 m, 100 m and 1 km above the ground are studied to analyse relevant propagation parameters such as sub-refraction, super-refraction, anomalous propagation probability parameter β0 and point refractivity gradient not exceeded for 1% of time. The effective earth radius factor k is investigated using a new weighted averaged approach. In addition, the seasonal structure of atmospheric ducting is dimensioned within 350 m layer above ground. Finally, microwave measurement campaign is conducted using multiple radio links operating in UAE using various frequency bands. The link budget simulations are compared with the signal strength measurements. Fading scenarios are studied against the observed anomalous conditions and several recommendations are concluded.

Este trabalho concentra-se no aumento da robustez à taxa de erros em redes de sensores sem fio industriais (RSSFI). Para alcançar tal objetivo, é preciso, de algum modo, contornar os problemas intrínsecos da comunicação sem fio, que são, o ruído ambiental, interferências e desvanecimento por multipercurso. O multipercurso pode ser considerado um dos principais fatores que tornam as comunicações nas redes de sensores sem fio (RSSF) um verdadeiro desafio quando comparadas com outros meios, como a transmissão em fibra óptica, cabo ou mesmo transmissões de rádio ponto-a-ponto. Nesse sentido, propõe-se a diversidade de antenas como uma solução para minimizar os efeitos do multicaminho, com o objetivo de melhorar a confiabilidade do enlace de rádio para permitir o emprego de RSSF densas. O potencial da diversidade de antenas em RSSF não está totalmente explorado em aplicações industriais. Esta dissertação apresenta ainda, a técnica “Combinação de seleção” para RSSFI através de um algoritmo que seleciona a porta do receptor que apresenta o melhor indicador de qualidade de enlace e realiza a comutação das antenas nos módulos de rádio. Os resultados são analisados para dois tipos de enlaces, isto é, com e sem diversidade de antenas na recepção, e discute-se opções para melhorar o PER (“Packet Error Rate”) com as atuais técnicas de diversidade. / This work concentrates on the increase of reliability and robustness in Industrial Wireless Sensor Networks (IWSNs), decreasing the Packet Error Rate (PER). To achieve this objective, is need to somehow circumvent and reduce the underlying problems of wireless communication, which are: environmental noise, interference, and multipath fading. The multipath can be seen as the main factor which becomes the communications in the Wireless Sensor Networks (WSNs) a real challenge when compared to other types of means such as a transmission in fiber, cable or even point-to-point radio transmissions. In this sense, it is proposed antenna diversity as solution to reduce these effects, with the aim to improve the reliability of the radio link to allow the use of dense WSNs. The potential of antenna diversity in WSN is not fully exploited in industrial applications. In this sense, this dissertation presents the "Combination of selection" technique for IWSNs through an internal algorithm that selects the receiver port that has the highest LQI ("Link Quality Indicator") and performs an antenna switching in the radio modules. Also, options to improve PER using diversity techniques are discussed.

This thesis evaluates the possibility of using millimeter waves of frequency 28GHz for the use of wireless backhaul in small cell solutions in the coming fifth generation mobile networks. This frequency band has not been used in preceding mobile networks but is undergoing a lot of research. In this thesis simulations are performed to evaluate how the high frequency waves behave inside a three dimensional grid of buildings. The simulations use highly directive antenna arrays with antenna gains of 26dBi. A main results of the investigation was that a high bandwidth of 800MHz was not enough to provide 12Gbps in non line-of-sight propagation within the simulations. Furthermore, without interference limiting techniques, the interference is probable to dominate the noise, even though the high diffraction losses of millimeter waves propose that interference should be very limited in urban areas.

abstract: The purpose of this research study provided observational techniques and Applied Behavior Analysis (ABA) prompts and fading procedures to analyze music therapist-child interaction for child with autism spectrum disorder. Impaired social interaction is the primary symptom of a child with autism spectrum disorder. However, social interaction exists everywhere and throughout human life. Therefore, to improve interaction is the primary and significant goal in music therapy treatment for a child with autism spectrum disorder. The music therapist designs a series of music therapy activity interventions in order to create a therapeutic environment, based on a child's interests and favorite activities. Additionally, the music therapist utilizes the music to build the quality of relationship and interaction with child and support child practicing interaction with the therapist. Then music therapist utilizes the process of interaction to improve child's social interaction. Once the child achieves at desired behavior, he/she has ability to apply the music therapy techniques independently in the real world situations, such as family and schools that the child has learned throughout the process of interaction with therapist. The participants were three children with autism spectrum disorder and two certified music therapists (MT-BC). The researcher calculated the number of prompts and cues which the therapists provided, and the number of appropriate responses by each child in each activity intervention. Then the researcher utilized Applied Behavior Analysis (ABA), prompt and fading procedure in order to analyze the progress of therapist-child interactions during the sessions. The result showed that the children had improvement in the interactions with their therapist. / Dissertation/Thesis / M.M. Music 2013

Orientador: Michel Daoud Yacoub / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-13T08:20:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Calmon_FlavioduPin_M.pdf: 1073627 bytes, checksum: 0ee3ec938e02ebffb44a17606f1d2bf8 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Este trabalho propõe uma formulação nova e prática para a probabilidade de outage em sistemas de comunicação sem fio, denominada Probabilidade de Outage Conjunta (JOP, do inglês Joint Outage Probability). Dado um conjunto de restrições para as razões sinal-interferência-mais-ruído de sinais mutuamentente interferentes, a JOP corresponde à probabilidade de que pelo menos uma dessas restrições não seja atendida. Uma solução exata e geral para a JOP é demonstrada, junto com uma condição necessária e suficiente para que ela seja não-trivial. Ademais, uma expressão fechada paraa JOP em um ambiente Rayleigh onde os sinais são independentes é apresentada. As formulações obtidas são ilustradas através de um exemplo em alocação de potência. Além disso, este trabalho introduz e investiga um esquema geral de combinação de diversidade, denominado MRCS, baseado na seleção de sinais combinados por razão máxima. Este método de combinação possui uma implementação simples e uma formulação analítica matematicamente tratável, podendo ser diretamente aplicada a situações onde existe seleção de sítio. Uma análise geral da distribuição de probabilidade (confiabilidade), taxa de cruzamento de nível e duração média de desvanecimento na saída do combinador é apresentada, além de exemplos para um ambiente de desvanecimento Nakagami-m. No entanto, o principal resultado da análise do MRCS é a demonstração de uma expressão fechada, exata e simples de implementar computacionalmente para a razão sinalruído média da saída do combinador. Esta expressão pode ser utilizada quando o produto entre o número de ramos combinados por razão máxima e o parâmetro de Nakagami-mé inteiro, generalizando um resultado já apresentado na literatura. As formulações introduzidas aqui podem ser diretamente aplicadas ao dimensionamento de redes sem fio. / Abstract: This work presents a useful, novel formulation for the outage probability in wireless communication systems, here named Joint Outage Probability (JOP). Given a set of signal-to-interferenceplus-noise ratio restrictions for mutually interfering signals, the JOP corresponds to the probability that at least one of the restrictions is not satisfied. A general exact solution for the JOP is derived, along with a necessary and sufficient condition for a non-trivial solution. In addition, a closed-form expression for the JOP in an independent non-identically distributed Rayleigh scenario is obtained. An application example of the formulations is presented by a power allocation problem. In addition, this work also introduces and investigates a general diversity combining scheme, here named MRCS, in which maximal-ratio combined signals are chosen on a selection combining basis. This combining method has a simple implementation and a tractable analytical formulation that can be directly applied to situations in which site selection exists. A general analysis of the probability distribution (reliability), level crossing rate, and average fade duration at the output of the combiner is provided, along with examples for a Nakagami-m fading environment. The main result of the MRCS analysis, however, is the derivation of an exact, easy-to-evaluate closed-form expression for the mean signal-to-noise ratio at the output of the combiner. Such an expression is applicable for conditions in which the product of the number of maximal ratio combining branches and the Nakagami-m parameter is an integer and it generalizes a result presented elsewhere in the literature. The formulations derived here find a direct applicability in the dimensioning of practical wireless networks. / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Miched Daoud Yacoub / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-13T17:19:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_RausleyAdrianoAmaralde_D.pdf: 1070968 bytes, checksum: 289cdc544616610aa8ff990ce2ea0e82 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Em comunicações móveis, o desvanecimento por múltiplos percursos é modelado por várias distribuições incluindo Hoyt, Rayleigh, Weibull, Nakagami-m e Rice. Nesta tese, são deduzidas expressões exatas para o modelo de duas variáveis Hoyt (Nakagami-q) com correlação arbitrária em um ambiente não estacionário. De forma específica, as seguintes estatísticas são encontradas: função densidade de probabilidade conjunta, função de distribuição cumulativa conjunta, coeficiente de correlação e algumas estatísticas relacionadas ao parâmetro SNR na saída do combinador de seleção, a saber, probabilidade de indisponibilidade e função densidade de probabilidade. As expressões fazem uso dos polinômios de Laguerre generalizados. Elas são matematicamente tratáveis e possuem flexibilidade suficiente para acomodar um grande número de cenários de correlação, úteis na análise de um ambiente com desvanecimento mais geral. Depois disto, aproveitando os resultados previamente deduzidos, expressões exatas relacionadas a processos Nakagami-m com duas variáveis com correlação arbitrária e parâmetros de desvanecimento igualmente arbitrários são encontradas. De forma mais específica, as seguintes estatísticas são obtidas neste trabalho: função geratriz de momentos, função densidade de probabilidade conjunta, função de distribuição cumulativa conjunta, coeficiente de correlação de potência, e várias estatísticas ligadas à relação sinal-ruído na saída do combinador de seleção, especialmente, probabilidade de indisponibilidade, função densidade de probabilidade e valor médio da relação sinal-ruído. Recentemente, o modelo de desvanecimento ®-µ foi proposto que leva em conta a não linearidade do meio de propagação assim como o fenômeno de cluster de múltiplos percursos das ondas de rádio. A distribuição ®-µ é geral, flexível e matematicamente tratável. Ela inclui importantes distribuições tais como Gamma (e suas versões discretas Erlang e Chi-Quadrada Central), Nakagami-m (e sua versão discreta Chi), Exponencial, Weibull, Gaussiana Unilateral e Rayleigh. Nesta tese, uma formulação através de série infinita para a função densidade de probabilidade multivariável ®-µ com matriz de correlação arbitrária e variáveis não identicamente distribuídas é encontrada. A expressão é exata e geral e inclui todos os resultados anteriormente publicados na literatura relacionados às distribuições compreendidas pela distribuição ®-µ. A expressão geral é então particularizada para uma solução aproximada simples na forma fechada. Adicionalmente, a função distribuição cumulativa conjunta multivariável é obtida, novamente, em uma forma fechada e simples. Os resultados exato e aproximado são muito próximos para valores pequenos e médio de correlação. Nós mantemos, entretanto, que uma relação entre os coeficientes de correlação das correspondentes componentes gaussianas deve ser mantida de forma a atender os critérios de convergência / Abstract: In wireless communications, the multipath fading is modeled by several distributions including Hoyt, Rayleigh, Weibull, Nakagami-m, and Rice. In this thesis, new, exact expressions for the bivariate Hoyt (Nakagami-q) processes with arbitrary correlation in a nonstationary environment are derived. More specifically, the following are obtained: joint probability density function, joint cumulative distribution function, power correlation coefficient, and some statistics related to the signal-tonoise ratio at the output of the selection combiner, namely, outage probability and probability density function. The expressions make use of the well known generalized Laguerre polynomials. They are mathematically tractable and flexible enough to accommodate a myriad of correlation scenarios, useful in the analysis of a more general fading environment. After this, capitalizing on result previously deduced, exact expressions concerning the bivariate Nakagami-mprocesses with arbitrary correlation and fading parameters are derived. More specifically, the following are obtained in the present work: joint moment generating function; joint probability density function; joint cumulative distribution function; power correlation coefficient; and several statistics related to the signal-to-noise ratio at the output of the selection combiner, namely, outage probability, probability density function, and mean SNR. More recently, the ®-µ fading model has been proposed that accounts for the non-linearity of the propagation medium as well as for the multipath clustering of the radio waves. The ®-µ distribution is general, flexible, and mathematically easily tractable. It includes important distributions such as Gamma (and its discrete versions Erlang and Central Chi-Squared), Nakagami-m (and its discrete version Chi), Exponential, Weibull, One-Side Gaussian, and Rayleigh. An infinite series formulation for the multivariate ®-µ joint probability density function with arbitrary correlation matrix and non-identically distributed variates is derived. The expression is exact and general and includes all of the results previously published in the literature concerning the distributions comprised by the ®-µ distribution. The general expression is then particularized to an indeed very simple, approximate closed-form solution. In addition, a multivariate joint cumulative distribution function is obtained, again in simple, closed-form manner. Approximate and exact results are very close to each other for small as well medium values of correlation. We maintain, however, that a relation among the correlation coefficients of the corresponding Gaussian components must be kept so that convergence is attained / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Michel Daoud Yacoub / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-15T14:34:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dias_UgoSilva_D.pdf: 7207559 bytes, checksum: 799e62195e2d2cf1cf1a42599b611bf6 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Esta tese propõe, investiga e valida estatísticas de primeira e segunda ordens para canais com desvanecimento em ambientes sem fio. A caracterização estatística contempla tanto a obtenção de modelos teóricos quanto investigações práticas através de campanhas de medições de campo. Os modelos probabilísticos analisados aqui, chamados ?-µ e a-µ, foram recentemente propostos com o intuito de prover uma análise mais realista do canal rádio-móvel. Por apresentarem um grau de liberdade a mais do que as distribuições tradicionais, uma maior flexibilidade é alcançada. Mais especificamente, as contribuições desta tese são: a obtenção da distribuição conjunta da envoltória e da fase para canais em desvanecimento ?-µ e a validação do seu modelo de fase. Além disso, e sem menos importância, a distribuição a-µ é validada amplamente. Suas funções de distribuição cumulativa, correlação cruzada, autocorrelação e espectro de potência da envoltória, estas últimas encontradas em formulações fechadas, bem como a taxa de cruzamento de nível, são investigadas na prática através do uso de um sistema de medição de campo construído especialmente para este fim. Comparações entre o modelo de canal a-µ e os modelos tradicionais da literatura são realizadas e um excelente ajuste entre os dados teóricos e experimentais é encontrado / Abstract: This thesis proposes, investigates and validates first and second order statistics of fading channels in wireless environments. The statistical characterization includes both theoretical models and practical investigations through field measurements. The investigated channel models, namely ?-µ and a-µ, have recently been proposed in order to provide a more realistic analysis of the propagated signal. Because these fading models have one more degree of freedom than the traditional distributions, a greater flexibility is achieved. More specifically, the contributions of this thesis are: the ?-µ phase-envelope joint distribution derivation and its phase model validation. Furthermore, the distribution a-µ is fully validated. Its cumulative distribution, cross-correlation, autocorrelation and power spectrum functions of the envelope, these latter obtained in closed-form expressions, and the level crossing rate, are investigated in practice by using a field measurement system, specifically built for this purpose. Comparisons between the a-µ channel model and the traditional distributions are performed and excellent fits between the theoretical and experimental data are found / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Michel Daoud Yacoub / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T01:33:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_DanielBenevidesda_D.pdf: 3159088 bytes, checksum: 3d5d46070c5516bbaa070eba5e52e8e3 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Recentemente, três novos modelos probabilísticos de canal, modelos a-u, ?-u e ?-u, foram propostos com o intuito de prover uma análise mais realística do sinal propagante. Por apresentarem um grau de liberdade a mais que os demais já existentes na literatura, um melhor ajuste a medidas de campo verificou-se com a utilização dos mesmos. Esta tese provê uma caracterização estatística para estes modelos de desvanecimento generalizados. Tal caracterização engloba tanto estatísticas de primeira como de segunda ordem. Aproximações simples e precisas para a soma de variáveis e processos aleatórios são propostas. Inúmeras métricas de desempenho em ambientes com e sem diversidade na recepção são investigadas de forma exata e aproximada. Dentre estas, podemos citar: probabilidade de outage, taxa de erro de bit, capacidade de canal, taxa de cruzamento de nível, duração média de desvanecimento, dentre outras. Além disso, mostra-se também qual das distribuições generalizadas melhor aproxima a soma de variáveis e processos Nakagami-m, uma vez que todas incluem Nakagami-m como caso especial. Finalmente, expressões exatas e aproximadas para a taxa de cruzamento de nível de canaisWeibull correlacionados e não idênticos em receptores multirramos são apresentadas / Abstract: Recently, three new channel models, a-u, ?-u and ?-u, were proposed with the aim to provide a more realistic analysis of the propagate signal. Due to they have one degree of freedom more than those already existing in the literature, a better adjust to field measurement data was attested with their use. This thesis deals with the statistical characterization of these generalized fading models. Such a characterization includes both first and second order statistics. Simple and precise approximations to the sum of random variables and processes are proposed. Several performance metrics in scenarios with and without diversity are investigated in an exact and approximate manner. Among them, we may cite: outage probability, bit error probability, channel capacity, level crossing rate, average fade duration, such others. Furthermore, it is shown what is the generalized distribution that better approximate the sum of Nakagami-m variates and processes, once that all of them include Nakagami-m as special case. Finally, exact and approximate expressions for the crossing rates of non-identical correlated Weibull channels in multibranch receivers are presented. / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Celso de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-26T09:28:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MinangoNegrete_JuanCarlos_M.pdf: 1358924 bytes, checksum: 0b87bf307832cb8c65d04765674c0306 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O uso da técnica de multiplex espacial, transmissão de feixes de símbolos independentes usando múltiplas antenas de transmissão, tem sido proposta para atingir a exigência de taxas de dados maiores dos futuros sistemas de comunicações sem fio de banda larga. No entanto, quando a técnica de multiplex espacial é aplicada a uma rede celular, seu desempenho é afetado pela interferência de co-canal. Este trabalho avalia e compara os efeitos da interferência de co-canal na taxa de erro de bit média, BER, entre sistemas de transmissão digital com multiplex espacial e sistemas de transmissão digital com uma única antena de transmissão, onde os parâmetros da potência de transmissão e eficiência espectral são levados em consideração, a fim de se fazer comparações justas entre os dois sistemas. O enlace direto em um ambiente com desvanecimento plano e lento do tipo Rayleigh na presença de um interferente de co-canal dominante foi considerado. Além disso, o uso do detector ótimo, MV, no receptor e os esquemas de modulação BPSK, QPSK e M-QAM foram também considerados. Simulações de Monte Carlo foram feitas para a obtenção dos desempenhos em termos da BER como uma função da relação sinal-ruído por bit, Eb/N0, e da relação sinal-interferência, SIR. Os resultados da avaliação e comparação de desempenho entre os sistemas com multiplex espacial e com uma única antena de transmissão apresentados neste trabalho, constituem uma ferramenta importante a fim de se conhecer os benefícios reais da técnica de multiplex espacial aplicada a uma rede celular, como por exemplo nos padrões WiMAX ou LTE / Abstract: Spatial multiplexing technique, consisting of independent symbol transmission on multiple transmission antennas, has been proposed to meet the requirement for higher data rates of future wireless broadband communication systems. However, when spatial multiplexing technique is applied to a cellular network, the performance is affected by co-channel interference. This work evaluates and compares the effects of co-channel interference on the mean bit error rate, BER, of spatial multiplexing systems and single transmission antenna systems, where transmit power and spectral efficiency parameters are taken into consideration, in order to make a fair comparison between both systems. The downlink of a cellular network in slowly-varying flat Rayleigh fading environment and in the presence of a dominant co-channel interferer is considered. Furthermore, the use of Optimum Detector on the receiver and BPSK, QPSK and M-QAM modulations is also considered. Monte Carlo simulations are realized for obtaining the performance in terms of the BER as a function of per-bit signal-to-noise ratio, Eb/N0, and signal-to-interference ratio, SIR. The evaluation and comparison performance results between spatial multiplexing and a single transmission antenna systems presented in this work, are important tools in order to know the real benefits of spatial multiplexing technique applied to a cellular network, as the standards WiMAX or LTE / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica