Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.DOCTORAT EN TEORIA DEL SENYAL I COMUNICACIONS (Pla 2013

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

Snowmass CF1 Summary: WIMP Dark Matter Direct Detection

As part of the Snowmass process, the Cosmic Frontier WIMP Direct Detection subgroup (CF1) has drawn on input from the Cosmic Frontier and the broader Particle Physics community to produce this document. The charge to CF1 was (a) to summarize the current status and projected sensitivity of WIMP direct detection experiments worldwide, (b) motivate WIMP dark matter searches over a broad parameter space by examining a spectrum of WIMP models, (c) establish a community consensus on the type of experimental program required to explore that parameter space, and (d) identify the common infrastructure required to practically meet those goals.Comment: Snowmass CF1 Final Summary Report: 47 pages and 28 figures with a 5 page appendix on instrumentation R&

Quantification and Reconstruction in Photoacoustic Tomography

Optical absorption is closely associated with many physiological important parameters, such as the concentration and oxygen saturation of hemoglobin. Conventionally, accurate quantification in PAT requires knowledge of the optical fluence attenuation, acoustic pressure attenuation, and detection bandwidth. We circumvent this requirement by quantifying the optical absorption coefficients from the acoustic spectra of PA signals acquired at multiple optical wavelengths. We demonstrate the method using the optical-resolution photoacoustic microscopy: OR-PAM) and the acoustical-resolution photoacoustic microscopy: AR-PAM) in the optical ballistic regime and in the optical diffusive regime, respectively. The data acquisition speed in photoacoustic computed tomography: PACT) is limited by the laser repetition rate and the number of parallel ultrasound detecting channels. Reconstructing an image with fewer measurements can effectively accelerate the data acquisition and reduce the system cost. We adapted Compressed Sensing: CS) for the reconstruction in PACT. CS-based PACT was implemented as a non-linear conjugate gradient descent algorithm and tested with both phantom and in vivo experiments. Speckles have been considered ubiquitous in all scattering-based coherent imaging technologies. As a coherent imaging modality based on optical absorption, photoacoustic: PA) tomography: PAT) is generally devoid of speckles. PAT suppresses speckles by building up prominent boundary signals, via a mechanism similar to that of specular reflection. When imaging smooth boundary absorbing targets, the speckle visibility in PAT, which is defined as the ratio of the square root of the average power of speckles to that of boundaries, is inversely proportional to the square root of the absorber density. If the surfaces of the absorbing targets have uncorrelated height fluctuations, however, the boundary features may become fully developed speckles. The findings were validated by simulations and experiments. The first- and second-order statistics of PAT speckles were also studied experimentally. While the amplitude of the speckles follows a Gaussian distribution, the autocorrelation of the speckle patterns tracks that of the system point spread function

Laser diagnostics and minor species detection in combustion using resonant four-wave mixing

Peer reviewedPostprin

Modern optical astronomy: technology and impact of interferometry

The present `state of the art' and the path to future progress in high spatial resolution imaging interferometry is reviewed. The review begins with a treatment of the fundamentals of stellar optical interferometry, the origin, properties, optical effects of turbulence in the Earth's atmosphere, the passive methods that are applied on a single telescope to overcome atmospheric image degradation such as speckle interferometry, and various other techniques. These topics include differential speckle interferometry, speckle spectroscopy and polarimetry, phase diversity, wavefront shearing interferometry, phase-closure methods, dark speckle imaging, as well as the limitations imposed by the detectors on the performance of speckle imaging. A brief account is given of the technological innovation of adaptive-optics (AO) to compensate such atmospheric effects on the image in real time. A major advancement involves the transition from single-aperture to the dilute-aperture interferometry using multiple telescopes. Therefore, the review deals with recent developments involving ground-based, and space-based optical arrays. Emphasis is placed on the problems specific to delay-lines, beam recombination, polarization, dispersion, fringe-tracking, bootstrapping, coherencing and cophasing, and recovery of the visibility functions. The role of AO in enhancing visibilities is also discussed. The applications of interferometry, such as imaging, astrometry, and nulling are described. The mathematical intricacies of the various `post-detection' image-processing techniques are examined critically. The review concludes with a discussion of the astrophysical importance and the perspectives of interferometry.Comment: 65 pages LaTeX file including 23 figures. Reviews of Modern Physics, 2002, to appear in April issu

In situ sensors for measurements in the global trosposphere

Current techniques available for the in situ measurement of ambient trace gas species, particulate composition, and particulate size distribution are reviewed. The operational specifications of the various techniques are described. Most of the techniques described are those that have been used in airborne applications or show promise of being adaptable to airborne applications. Some of the instruments described are specialty items that are not commercially-available. In situ measurement techniques for several meteorological parameters important in the study of the distribution and transport of ambient air pollutants are discussed. Some remote measurement techniques for meteorological parameters are also discussed. State-of-the-art measurement capabilities are compared with a list of capabilities and specifications desired by NASA for ambient measurements in the global troposphere

Spectroscopic study of channel spectra phenomena in the synchrotron-based FTIR spectrometer at the Canadian Light Source

xiv, 134 leaves : ill. ; 29 cmRecently, the high radiance of synchrotron sources was used to enhance FTIR spectrometer performance. However, excessive channel spectra when synchrotron sources are used degrade the quality of retrieved spectral parameters. In the research reported in this thesis, seven different techniques for handling channel spectra were investigated. These techniques were used to reduce channel spectra for a test group of seven samples of CO2 mixed with air recorded using the synchrotron source at the Canadian Light Source. The increases in signal to noise ratio (SNR) of spectra handled with each technique were calculated. SNR results showed that transmission spectra, produced using synthetic background spectra with simulated channel spectra, achieved the highest SNR improvement. However, when the spectra groups were fitted using nonlinear least square fit algorithm, the technique using channel spectra fitting produced the smallest fitting residual. Moreover, the retrieved intensities and air broadening coefficients of 21 spectral lines showed that the spectral fitting technique produced the most accurate values as compared to the HITRAN 2008 database. Although the spectral fitting technique was accurate in retrieving spectral line parameters, applying the technique at wider spectral ranges was less accurate. A modification to the channel spectra fitting technique by performing iterations of channel fitting was introduced to process wider spectral ranges. Carbon dioxide laser band I centred at 961 wavenumber was analyzed using 24 spectra recorded under different experimental conditions. The intensity and air-and self-broadening coefficients were retrieved for 48 spectral lines with average deviations from HITRAN database values of 2.11%, 1.25% and 4.14%, respectively, using the Voigt profile. These average deviations lie within the uncertainty limits listed by the database. The deviation between our results and other results reported in the literature were also examined and it is found to be also within the range of HITRAN uncertainties. The effect of errors in fitting channel spectra parameters was examined and found to be mitigated by the inclusion of channel-free spectra in the multispectral fit

Quantum Communication, Sensing and Measurement in Space

The main theme of the conclusions drawn for classical communication systems operating at optical or higher frequencies is that there is a well‐understood performance gain in photon efficiency (bits/photon) and spectral efficiency (bits/s/Hz) by pursuing coherent‐state transmitters (classical ideal laser light) coupled with novel quantum receiver systems operating near the Holevo limit (e.g., joint detection receivers). However, recent research indicates that these receivers will require nonlinear and nonclassical optical processes and components at the receiver. Consequently, the implementation complexity of Holevo‐capacityapproaching receivers is not yet fully ascertained. Nonetheless, because the potential gain is significant (e.g., the projected photon efficiency and data rate of MIT Lincoln Laboratory's Lunar Lasercom Demonstration (LLCD) could be achieved with a factor‐of‐20 reduction in the modulation bandwidth requirement), focused research activities on ground‐receiver architectures that approach the Holevo limit in space‐communication links would be beneficial. The potential gains resulting from quantum‐enhanced sensing systems in space applications have not been laid out as concretely as some of the other areas addressed in our study. In particular, while the study period has produced several interesting high‐risk and high‐payoff avenues of research, more detailed seedlinglevel investigations are required to fully delineate the potential return relative to the state‐of‐the‐art. Two prominent examples are (1) improvements to pointing, acquisition and tracking systems (e.g., for optical communication systems) by way of quantum measurements, and (2) possible weak‐valued measurement techniques to attain high‐accuracy sensing systems for in situ or remote‐sensing instruments. While these concepts are technically sound and have very promising bench‐top demonstrations in a lab environment, they are not mature enough to realistically evaluate their performance in a space‐based application. Therefore, it is recommended that future work follow small focused efforts towards incorporating practical constraints imposed by a space environment. The space platform has been well recognized as a nearly ideal environment for some of the most precise tests of fundamental physics, and the ensuing potential of scientific advances enabled by quantum technologies is evident in our report. For example, an exciting concept that has emerged for gravity‐wave detection is that the intermediate frequency band spanning 0.01 to 10 Hz—which is inaccessible from the ground—could be accessed at unprecedented sensitivity with a space‐based interferometer that uses shorter arms relative to state‐of‐the‐art to keep the diffraction losses low, and employs frequency‐dependent squeezed light to surpass the standard quantum limit sensitivity. This offers the potential to open up a new window into the universe, revealing the behavior of compact astrophysical objects and pulsars. As another set of examples, research accomplishments in the atomic and optics fields in recent years have ushered in a number of novel clocks and sensors that can achieve unprecedented measurement precisions. These emerging technologies promise new possibilities in fundamental physics, examples of which are tests of relativistic gravity theory, universality of free fall, frame‐dragging precession, the gravitational inverse‐square law at micron scale, and new ways of gravitational wave detection with atomic inertial sensors. While the relevant technologies and their discovery potentials have been well demonstrated on the ground, there exists a large gap to space‐based systems. To bridge this gap and to advance fundamental‐physics exploration in space, focused investments that further mature promising technologies, such as space‐based atomic clocks and quantum sensors based on atom‐wave interferometers, are recommended. Bringing a group of experts from diverse technical backgrounds together in a productive interactive environment spurred some unanticipated innovative concepts. One promising concept is the possibility of utilizing a space‐based interferometer as a frequency reference for terrestrial precision measurements. Space‐based gravitational wave detectors depend on extraordinarily low noise in the separation between spacecraft, resulting in an ultra‐stable frequency reference that is several orders of magnitude better than the state of the art of frequency references using terrestrial technology. The next steps in developing this promising new concept are simulations and measurement of atmospheric effects that may limit performance due to non‐reciprocal phase fluctuations. In summary, this report covers a broad spectrum of possible new opportunities in space science, as well as enhancements in the performance of communication and sensing technologies, based on observing, manipulating and exploiting the quantum‐mechanical nature of our universe. In our study we identified a range of exciting new opportunities to capture the revolutionary capabilities resulting from quantum enhancements. We believe that pursuing these opportunities has the potential to positively impact the NASA mission in both the near term and in the long term. In this report we lay out the research and development paths that we believe are necessary to realize these opportunities and capitalize on the gains quantum technologies can offer