Theoretical and experimental contributions for modeling wireless channels

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2017.Este trabalho de conclusão de curso visa agregar contribuições teóricas e experimentais para a modelagem de redes sem fio à partir de quatro projetos realizados durante um estágio supervisionado entre a Universidade de Brasília e a escola francesa de engenharia ENSEIRB-MATMECA durante o ano de 2017. Todos os projetos desse trabalho giram em torno do tema "desafios atuais nas comunicações sem fio" e tem como objetivo a apresentação de tais desafios através de uma breve introdução teórica seguida da realização de simulações, análises estatísticas ou medições em campo. O primeiro projeto propõem um estudo teórico e a validação experimental da distribuição de desvanecimento α-μ/Γ generalizada, usada nesse trabalho para caracterizar ambientes realistas que experimentam desvanecimento composto. Ainda no escopo de análises estatísticas, o segundo projeto propõe uma caracterização da qualidade do sinal celular à partir de dados de potência medidos usando um aplicativo Android de analise de qualidade de redes móveis. As análises estatísticas realizadas poderão auxiliar operadoras de telefonia móvel à parametrizar suas redes e contribuir para o melhoramento da cobertura celular no pais. Em seguida, o terceiro projeto desenvolvido nesse trabalho de conclusão de curso propõe estudos práticos e teóricos de interferência entre os sistema LTE 700MHz e TV digital em Brasília na região da Asa Norte, um tema recente de grande importância dada a desconexão da TV analógica no Brasil até 2018. Por fim, o quarto projeto, realizado em parceria com a Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL) propõe contribuições para o desenvolvimento de um simulador de rede IMT para uso em estudos de compartilhamento e compatibilidade proposto para ajudar na identificação de novas faixas de frequência para o IMT-2020. Os projetos propostos nesse trabalho focam na caracterização e modelagem de canais sem fio à partir do levantamento de estatísticas de primeira ordem, na análise de qualidade das redes celulares no país com base nas informações sobre a cobertura celular experimentada pelos usuários de telefonia móvel e na análise da interferência entre sistemas à partir de estudos entre o LTE e a TV digital e da busca de novas possíveis frequências para o 5G. A realização do estágio supervisionado e desse trabalho de conclusão de curso é um requerimento oficial para a obtenção do título de "Engenheiro diplomado do Instituto politécnico de Bordeaux, especialidade Engenharia eletrônica" pela ENSEIRB-MATMECA e para a obtenção do titulo de "Engenheiro de redes de comunicação" pela Universidade de Brasília.This final course assignment aims to add theoretical and experimental contributions to the modeling of wireless networks from four different projects carried out over an supervised internship held between the University of Brasília and the french school of engineering ENSEIRB-MATMECA during the year of 2017. All projects revolve around the central theme "current challenges in wireless communications" and aims to present such challenges through a brief theoretical introduction followed by simulations, statistical analyzes or field measurements. The first project proposes a theoretical study and the experimental investigation of the α-μ/Γ generalized fading distribution, used in this work to characterize realistic environments that experience composite fading. A second project, also based on statistical analysis, proposes a characterization of the mobile phone signal quality from power data measured using an Android application of mobile network quality analysis. Statistical analyzes can help mobile operators to parameterize their network and contribute to the improvement of cellular coverage in the country. Next, the third project developed in the internship proposes practical and theoretical studies of interference between the LTE 700MHz system and digital TV in Brasília in the region of Asa Norte, a recent topic of great importance given the analogue TV disconnection in Brazil until 2018. Finally, the fourth project, carried out in partnership with the National Telecommunications Agency (ANATEL), proposes contributions for the development of an IMT network simulator for use in sharing and compatibility studies to help in the identification of new frequency bands for the IMT-2020. The projects proposed in this work focus on the characterization and modeling of wireless channels from first order statistics, on the analysis of the quality of cellular networks in the country based on the information collected from the App about the network coverage experienced by final users and on the analysis of interference between systems based on studies between LTE and digital TV and on the search for new possible frequencies for 5G. The realization of the supervised internship was an official requirement to obtain the title of "Licensed Engineer of the Polytechnic Institute of Bordeaux, specialized in Electronic Engineering" by ENSEIRB-MATMECA and to obtain the title of "Network Communications Engineer" by the University of Brasília

1-D broadside-radiating leaky-wave antenna based on a numerically synthesized impedance surface

A newly-developed deterministic numerical technique for the automated design of metasurface antennas is applied here for the first time to the design of a 1-D printed Leaky-Wave Antenna (LWA) for broadside radiation. The surface impedance synthesis process does not require any a priori knowledge on the impedance pattern, and starts from a mask constraint on the desired far-field and practical bounds on the unit cell impedance values. The designed reactance surface for broadside radiation exhibits a non conventional patterning; this highlights the merit of using an automated design process for a design well known to be challenging for analytical methods. The antenna is physically implemented with an array of metal strips with varying gap widths and simulation results show very good agreement with the predicted performance

Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium