167 research outputs found

    Hybrid virtual polarimetric massive MIMO measurements at 1.35 GHz

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    The polarimetric massive multiple-input multiple-output (MIMO) radio channel of an indoor line-of-sight scenario is investigated at 1.35 GHz using a real-time radio channel sounder. The 8 x 12 massive MIMO transmitter is constructed using a hybrid architecture including a vertical uniform linear array translated at different horizontal positions forming a virtual, yet realistic, uniform rectangular array. The performance of the system is evaluated with six users distributed in the room for different polarisation schemes and receiver orientations using propagation channel-based metrics (such as receiver spatial correlation and Rician factor) and system-oriented metrics such as sum-rate capacity and signal to interference and noise ratio. The results show a clear dependence of the performance to the polarisation schemes and receiver orientation and showing that when facing the array, cross-polarisation can be very beneficial. Furthermore, it is concluded that the additional degree of freedom brought by the polarisation diversity can contribute to improve spectral efficiency (similar to 20% depending on the configuration), paving the way for further capacity enhancements in massive MIMO systems. It was also found that the receiver spatial correlation can be modelled using a Burr distribution

    Ondas milimétricas e MIMO massivo para otimização da capacidade e cobertura de redes heterogeneas de 5G

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    Today's Long Term Evolution Advanced (LTE-A) networks cannot support the exponential growth in mobile traffic forecast for the next decade. By 2020, according to Ericsson, 6 billion mobile subscribers worldwide are projected to generate 46 exabytes of mobile data traffic monthly from 24 billion connected devices, smartphones and short-range Internet of Things (IoT) devices being the key prosumers. In response, 5G networks are foreseen to markedly outperform legacy 4G systems. Triggered by the International Telecommunication Union (ITU) under the IMT-2020 network initiative, 5G will support three broad categories of use cases: enhanced mobile broadband (eMBB) for multi-Gbps data rate applications; ultra-reliable and low latency communications (URLLC) for critical scenarios; and massive machine type communications (mMTC) for massive connectivity. Among the several technology enablers being explored for 5G, millimeter-wave (mmWave) communication, massive MIMO antenna arrays and ultra-dense small cell networks (UDNs) feature as the dominant technologies. These technologies in synergy are anticipated to provide the 1000_ capacity increase for 5G networks (relative to 4G) through the combined impact of large additional bandwidth, spectral efficiency (SE) enhancement and high frequency reuse, respectively. However, although these technologies can pave the way towards gigabit wireless, there are still several challenges to solve in terms of how we can fully harness the available bandwidth efficiently through appropriate beamforming and channel modeling approaches. In this thesis, we investigate the system performance enhancements realizable with mmWave massive MIMO in 5G UDN and cellular infrastructure-to-everything (C-I2X) application scenarios involving pedestrian and vehicular users. As a critical component of the system-level simulation approach adopted in this thesis, we implemented 3D channel models for the accurate characterization of the wireless channels in these scenarios and for realistic performance evaluation. To address the hardware cost, complexity and power consumption of the massive MIMO architectures, we propose a novel generalized framework for hybrid beamforming (HBF) array structures. The generalized model reveals the opportunities that can be harnessed with the overlapped subarray structures for a balanced trade-o_ between SE and energy efficiently (EE) of 5G networks. The key results in this investigation show that mmWave massive MIMO can deliver multi-Gbps rates for 5G whilst maintaining energy-efficient operation of the network.As redes LTE-A atuais não são capazes de suportar o crescimento exponencial de tráfego que está previsto para a próxima década. De acordo com a previsão da Ericsson, espera-se que em 2020, a nível global, 6 mil milhões de subscritores venham a gerar mensalmente 46 exa bytes de tráfego de dados a partir de 24 mil milhões de dispositivos ligados à rede móvel, sendo os telefones inteligentes e dispositivos IoT de curto alcance os principais responsáveis por tal nível de tráfego. Em resposta a esta exigência, espera-se que as redes de 5a geração (5G) tenham um desempenho substancialmente superior às redes de 4a geração (4G) atuais. Desencadeado pelo UIT (União Internacional das Telecomunicações) no âmbito da iniciativa IMT-2020, o 5G irá suportar três grandes tipos de utilizações: banda larga móvel capaz de suportar aplicações com débitos na ordem de vários Gbps; comunicações de baixa latência e alta fiabilidade indispensáveis em cenários de emergência; comunicações massivas máquina-a-máquina para conectividade generalizada. Entre as várias tecnologias capacitadoras que estão a ser exploradas pelo 5G, as comunicações através de ondas milimétricas, os agregados MIMO massivo e as redes celulares ultradensas (RUD) apresentam-se como sendo as tecnologias fundamentais. Antecipa-se que o conjunto destas tecnologias venha a fornecer às redes 5G um aumento de capacidade de 1000x através da utilização de maiores larguras de banda, melhoria da eficiência espectral, e elevada reutilização de frequências respetivamente. Embora estas tecnologias possam abrir caminho para as redes sem fios com débitos na ordem dos gigabits, existem ainda vários desafios que têm que ser resolvidos para que seja possível aproveitar totalmente a largura de banda disponível de maneira eficiente utilizando abordagens de formatação de feixe e de modelação de canal adequadas. Nesta tese investigamos a melhoria de desempenho do sistema conseguida através da utilização de ondas milimétricas e agregados MIMO massivo em cenários de redes celulares ultradensas de 5a geração e em cenários 'infraestrutura celular-para-qualquer coisa' (do inglês: cellular infrastructure-to-everything) envolvendo utilizadores pedestres e veiculares. Como um componente fundamental das simulações de sistema utilizadas nesta tese é o canal de propagação, implementamos modelos de canal tridimensional (3D) para caracterizar de forma precisa o canal de propagação nestes cenários e assim conseguir uma avaliação de desempenho mais condizente com a realidade. Para resolver os problemas associados ao custo do equipamento, complexidade e consumo de energia das arquiteturas MIMO massivo, propomos um modelo inovador de agregados com formatação de feixe híbrida. Este modelo genérico revela as oportunidades que podem ser aproveitadas através da sobreposição de sub-agregados no sentido de obter um compromisso equilibrado entre eficiência espectral (ES) e eficiência energética (EE) nas redes 5G. Os principais resultados desta investigação mostram que a utilização conjunta de ondas milimétricas e de agregados MIMO massivo possibilita a obtenção, em simultâneo, de taxas de transmissão na ordem de vários Gbps e a operação de rede de forma energeticamente eficiente.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe

    Analysis of the sum rate for massive MIMO using 10 GHz measurements

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    Orientador: Gustavo FraidenraichTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Este trabalho apresenta um conjunto de contribuições para caracterização e modelagem de canais reais de rádio abordando aspectos relacionados com as condições favoráveis de propagação para sistemas massive MIMO. Discutiremos como caracterizar canais de rádio em um ambiente real, processamento de dados e análise das condições favoráveis de propagação. Em uma segunda parte, focamos na determinação teórica de alguns aspectos da tecnologia de massive MIMO utilizando propriedades de distribuições matriciais Wishart. Inicialmente, apresentamos uma contribuição sobre a aplicação do algoritmo ESPRIT, para estimar parâmetros de um conjunto de dados multidimensional. Obtivemos dados por varredura em frequência de um Analisador Vetorial de Rede e os adaptamos para o algoritmo ESPRIT. Mostramos como remover a influência do ganho de padrão de antenas e como utilizar um gerador de modelo de canal baseado nas medidas reais de canal de rádio. As medidas foram feitas na frequência de 10.1 GHz com largura de faixa de 500 MHz. Utilizando um gerador de modelo de canal, fomos além do universo das simulações por distribuições Gaussianas. Introduzimos o conceito de propagação favorável e analisamos condições de linha-de-visada usando arranjos lineares uniformes e arranjos retangulares uniformes de antena. Como novidade da pesquisa, mostramos os benefícios de explorar um número extra de graus de liberdade devido à escolha dos formatos de arranjo de antenas e ao aumento do número de elementos. Esta propriedade é observada ao analisarmos a distribuição dos autovalores de matrizes Gramianas. Em seguida, estendemos o mesmo raciocínio para as matrizes de canal geradas a partir de informações reais e verificamos se as propriedades ainda permaneceriam válidas. Na segunda parte deste trabalho, incluímos mais de uma antena no terminal móvel e calculamos a probabilidade de indisponibilidade para várias configurações de antenas e número arbitrário de usuários. Esboçamos inicialmente a formulação para a informação mútua e, em seguida, calculamos os resultados exatos em uma situação com dois usuários e duas antenas, tanto na estação base (EB) como nos terminais de usuário(TU). Visto que as formulações para a derivação exata dos casos com mais antenas e mais usuários mostrou-se muito intrincada, propusemos uma aproximação Gaussiana para simplificar o problema. Esta aproximação foi validada por simulações Monte Carlo para diferentes relações sinal/ruídoAbstract: This thesis presents a set of contributions for channel modeling and characterization of real radio channels delineating aspects related with the favorable propagation for massive MIMO systems. We will discuss about how to proceed for characterizing radio channels in an real environment , data processing, and analysis of favorable conditions. In a second part, we focused on determination of some theoretical aspects of the Massive MIMO technology using properties of Wishart distribution matrices. We initially present a contribution on the application of ESPRIT algorithm for estimating a multidimensional set of measured data. We have obtained data by frequency sweep carried out by a vector network analyzer(VNA) and adapted it to fit in the ESPRIT algorithm. We show how to remove antenna pattern gain using virtual antenna arrays and how to use a channel model generator based on radio channel measurements of real environments. The measurements were conducted at the frequency of 10.1 GHz and 500 MHz bandwidth. By using a channel model generator, we have explored beyond the simulation of Gaussian Distributions. We will introduce the concept of favorable propagation and analyze the line-of-sight conditions using ULA and URA array shapes. As a research novelty, we will show the benefits of exploiting an extra degree of freedom due to the choice of the antenna shapes and amount of antenna elements. We observe these properties through the distribution of the Gramian Matrices. Next, we extend the same rationale to channel matrices generated from real channels and we verify that the properties are still valid. In a second part of the research work, we included more than one antenna in the mobile terminals and calculated the outage probability for several antenna configurations and arbitrary number users. We introduce a formulation for mutual information and then we calculate exact results in a case with two users with two antennas in both Base Station (BS) and User Terminals (UT). Since the formulations to the exact derivation for cases with more antennas and users seems to be intricate, we propose a Gaussian approximation solution to simplify the problem. We validated this approximation with Monte Carlo simulations for different signal-to-noise ratiosDoutoradoTelecomunicações e TelemáticaDoutor em Engenharia Elétrica248416/2013-8CNPQCAPE

    Optimization of Spectrum Management in Massive Array Antenna Systems with MIMO

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    Fifth generation (5G), is being considered as a revolutionary technology in the telecommunication domain whose the challenges are mainly to achieve signal quality and great ability to work with free spectrum in the millimetre waves. Besides, other important innovations are the introduction of a more current architecture and the use of multiple antennas in transmission and reception. Digital communication using multiple input and multiple output (MIMO) wireless links has recently emerged as one of the most significant technical advances in modern communications. MIMO technology is able to offer a large increase in the capacity of these systems, without requiring a considerable increase in bandwidth or power required for transmission. This dissertation presents an overview of theoretical concepts of MIMO systems. With such a system a spatial diversity gain can be obtained by using space-time codes, which simultaneously exploit the spatial domain and the time domain. SISO, SIMO and MISO systems are differentiated by their channel capacity and their configuration in relation to the number of antennas in the transmitter/receiver. To verify the effectiveness of the MIMO systems a comparison between the capacity of SISO and MIMO systems has been performed using the Shannon’s principles. In the MIMO system some variations in the number of antennas arrays have been considered, and the superiority of transmission gains of the MIMO systems have been demonstrated. Combined with millimetre waves (mmWaves) technology, massive MIMO systems, where the number of antennas in the base station and the number of users are large, is a promising solution. SDR implementations have been performed considering a platform with Matlab code applied to MIMO 2x2 Radio and Universal Software Peripheral Radio (USRP). A detailed study was initially conducted to analyze the architecture of the USRP. Complex structures of MIMO systems can be simplified by using mathematical methods implemented in Matlab for the synchronization of the USRP in the receiver side. SISO transmission and reception techniques have been considered to refine the synchronization (with 16-QAM), thus facilitating the future implementation of the MIMO system. OpenAirInterface has been considered for 4G and 5G implementations of actual mobile radio communication systems. Together with the practical MIMO, this type of solution is the starting point for future hardware building blocks involving massive MIMO systems.A quinta geração (5G) está sendo considerada uma tecnologia revolucionária no setor de telecomunicações, cujos desafios são principalmente a obtenção de qualidade de sinal e grande capacidade de trabalhar com espectro livre nas ondas milimétricas. Além disso, outras inovações importantes são a introdução de uma arquitetura mais atual e o uso de múltiplas antenas em transmissão e recepção. A comunicação digital usando ligaçõe sem fio de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) emergiu recentemente como um dos avanços técnicos mais significativos nas comunicações modernas. A tecnologia MIMO é capaz de oferecer um elevado aumento na capacidade, sem exigir um aumento considerável na largura de banda ou potência transmitida. Esta dissertação apresenta uma visão geral dos conceitos teóricos dos sistemas MIMO. Com esses sistemas, um ganho de diversidade espacial pode ser obtido utilizando códigos espaço-tempo reais. Os sistemas SISO, SIMO e MISO são diferenciados pela capacidade de seus canais e a sua configuração em relação ao número de antenas no emissor/receptor. Para verificar a eficiência dos sistemas MIMO, realizou-se uma comparação entre a capacidade dos sistemas SISO e MIMO utilizado os princípios de Shannon. Nos sistemas MIMO condecideraram-se algumas variações no número de agregados de antenas, e a superioridade dos ganhos de transmissão dos sistemas MIMO foi demonstrada. Combinado com a tecnologia de ondas milimétricas (mmWaves), os sistemas massivos MIMO, onde o número de antenas na estação base e o número de usuários são grandes, são uma solução promissora. As implementações do SDR foram realizadas considerando uma plataforma com código Matlab aplicado aos rádios MIMO 2x2 e Universal Software Peripheral Radio (USRP). Um estudo detalhado foi inicialmente conduzido para analisar a arquitetura da USRP. Estruturas complexas de sistemas MIMO podem ser simplificadas usando métodos matemáticos implementados no Matlab para a sincronização do USRP no lado do receptor. Consideraram-se técnicas de transmissão e recepção SISO para refinar a sincronização (com 16-QAM), facilitando assim a implementação futura do sistema MIMO . Considerou-se o OpenAirInterface para implementações 4G e 5G de sistemas reais de comunicações móveis. Juntamente com o MIMO na pratica, este tipo de solução é o ponto de partida para futuros blocos de construção de hardware envolvendo sistemas MIMO massivos

    State-of-the-art assessment of 5G mmWave communications

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    Deliverable D2.1 del proyecto 5GWirelessMain objective of the European 5Gwireless project, which is part of the H2020 Marie Slodowska- Curie ITN (Innovative Training Networks) program resides in the training and involvement of young researchers in the elaboration of future mobile communication networks, focusing on innovative wireless technologies, heterogeneous network architectures, new topologies (including ultra-dense deployments), and appropriate tools. The present Document D2.1 is the first deliverable of Work- Package 2 (WP2) that is specifically devoted to the modeling of the millimeter-wave (mmWave) propagation channels, and development of appropriate mmWave beamforming and signal processing techniques. Deliver D2.1 gives a state-of-the-art on the mmWave channel measurement, characterization and modeling; existing antenna array technologies, channel estimation and precoding algorithms; proposed deployment and networking techniques; some performance studies; as well as a review on the evaluation and analysis toolsPostprint (published version

    New Radio Small Cell Propagation Environment

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    The characterization of the wireless medium in indoor small cell networks is essential to obtain appropriate modelling of the propagation environment. This dissertation on ”MeasurementBased Characterization of the 5G New Radio Small Cell Propagation Environment” has been developed in an experimental environment. The underlying tasks are divided into three phases. The first phase took place in the laboratory of the Instituto de Telecomunicações – Covilhã, located in the Departamento de Engenharia Electromecânica of Universidade da Beira Interior. During this part of the research, spectrum measurements and the characterization of the S11 parameter (response in the first port for the signal incident in the first port) have been made experimentally through the printed circuit board antennas in the 2.6 GHz and 3.5 GHz frequency bands operating in the 2.625 GHz and 3.590 GHz center frequency, manufactured by us. The fabrication of the antennas was preceded by the simulation in the student version CST STUDIO software. In this phase, the spectrum measurements and the characterization of Smith Chart have been made to measure gain and impedance using the Rohde & Schwarz Vector Network Analyzer (VNA) from IT laboratory. Based on mathematical calculations and considerations on the conductivity and permeability of the environment, the antennas were built for use in indoor and outdoor environments. The developed antennas are characterized by their bandwidth and their radiation characteristics. The second phase took place in the three rooms adjacent to the laboratory, in which the srsLTE emulation software was applied to the 4G indoor scenario. The experimental setup includes three elements, namely a base station (BS or 4G eNodeB), which transmits the communication signal and which served as a signal source, a user equipment (UE), and an interfering eNodeB. The size of each room is 7.32 × 7.32 square meters. While room 1 is the room of interest, where theoretical and practical measurements took place, BSs that act as wireless interfering nodes are also separately considered either in room 2 or room 3. By varying the UE positions within room 1, it was possible to verify that the highest values of the received power occur close to the central BS. However, the received power does not decrease suddenly because of the reduced gain in the radiation pattern in the back part of the antenna. In addition, it was demonstrated that there is an effect of “wall loss”proven by the path loss increase between room 1 and room 2 (or between room 2 and 3). If we consider an attenuation for each wall of circa 7-9 dB the trend of the WINNER II at 2.625 GHz model for the interference coming across different walls is verified. Future work includes to investigate the 3.5 GHz frequency band. The third phase is being carried out at the facilities of the old aerodrome of Covilhã which, using a temporary license assigned to us by Instituto de Comunicações Português (ICP-ANACOM) as the two first phases. The aim of this phase is to investigate the two-slope behaviour in the UMi scenario. Very initial LTE-Advanced tests have been performed to verify the propagation of the two ray (with a reflection in the asphalt) from BS implemented with USRP B210 and srsLTE system by considering an urban cell with a length of 80 m and an interfering base station at 320 m, at 2500 - 2510 MHz (DL - Downlink) by now, mainly due to the current availability of a directional antenna in this specific band.A investigação de sinais rádio em comunicações sem fios continua a gerar considerável interesse em todo mundo, devido ao seu amplo leque de aplicações, que inclui a troca de dados entre dois ou mais dispositivos, comunicações móveis e via Wi-Fi, infravermelho, transmissão de canais de televisão, monitorização de campos, proteção e vigilância costeira e observação ambiental para exploração. A tecnologia de ondas de rádio é o um dos vários recursos que viabilizam as comunicações de alta velocidade e encurta distâncias entre dois pontos em comunicação. Na realidade, caracterização da comunicação em redes com pequenas células é essencial para obter uma modelização apropriada de ambiente de propagação. Esta dissertação sob o tema ”Measurement-Based Characterization of the 5G New Radio Small Cells Propagation Envioronment” foi desenvolvida num ambiente experimental, cujas tarefas foram divididas em fases. A primeira fase teve lugar no laboratório do Instituto de Telecomunicações da Covilhã (IT), afeto ao Departamento de Engenharia Eletromecânica. Nela foram feitas as simulações das antenas no software CST STUDIO, versão do estudante que foram utilizadas nos equipamentos durante as medições. Seguiu-se a padronização das mesmas nas faixas dos 2.6 GHz e 3.5 GHz, nas frequências centrais de 2.625 GHz e 3.590 GHZ, usando placas de circuitos impressos. Em seguida, foram feitas as medições do espectro e a caraterização do S11 e da carta de Smith para medir a impedância de entrada e o ganho. As medições foram feitas com recurso ao Vector Network Analyzer (VNA). Com base em cálculos matemáticos e considerações sobre a condutividade e permeabilidade do ambiente, as antenas foram construídas para uso em ambientes internos e externos e com ou sem interferentes. As antenas desenvolvidas são caracterizadas por sua largura de banda e suas características de radiação. A segunda fase decorreu nas três salas adjacentes ao laboratório de Telecomunicações, na qual foi montada a topologia com o sistema srsLTE associado aos USRP B210 ligados aos computadores com o sistema operativo Linux com três componentes, nomeadamente uma estação base (BS), que serviu de fonte do sinal de comunicação com um equipamento de utilizador (UE) que o recebe, e dois interferentes. Importa realçar que esta segunda fase foi dividida em duas etapas, das quais uma sem interferente para medir a potência recebida da própria estação base e outra com os interferentes mais próximo e mais afastado da sala do sinal da própria célula. O objetivo desta fase foi o de verificar o modelo de propagação do sinal de comunicação da tecnologia LTE e medir a potência recebida pelo utilizador com recurso ao Analisador de Espectro portátil FSH8 da Rohde & Schwarz capaz de medir de 10 kHz a 8 GHz, feita na frequência central de 2.625 GHz. Nas medições feitas em ambiente interior, o tamanho de cada uma das três salas é 7.32 × 7.32 metros quadrados. Embora a sala 1 seja a sala de interesse, onde ocorreram as medições teóricas e práticas, as BSs que atuam como nós interferentes também são consideradas separadamente na sala 2 ou na sala 3. Ao variar as posições de UE dentro da sala 1, foi possível verificar que os valores superiores da potência recebida ocorrem próximos à BS central. No entanto, a potência recebida não diminui repentinamente por causa do efeito do ganho reduzido no diagrama de radiação na parte traseira da antena. Além disso, foi demonstrado que existe um efeito de “atenuação da parede” comprovado pelo aumento da atenuação de trajeto entre a sala 1 e a sala 2 (ou entre a sala 2 e 3). Se considerarmos uma atenuação para cada parede de cerca de 7-9 dB, verifica-se a tendência do modelo WINNER II a 2.625 GHz para a interferência que atravessa as diversas paredes. Trabalhos futuros incluem a investigação da banda de frequência de 3.5 GHz. Já a terceira fase foi realizada nas instalações do antigo aeródromo da Covilhã, e em todas as fases servimo-nos de uma licença concedida pela Entidade Reguladora do Espectro (ICPANACOM), que permitiu realizar testes de verificação da propagação do sinal no ambiente livre na faixa de frequência dos 2.6 GHz com 2500 – 2510 MHz (UL - Uplink) e 2620 – 2630 MHz (DL - Downlink). A terceira fase ainda está a decorrer nas instalações do antigo aeródromo da Covilhã, mediante a mesma licença temporária que nos foi atribuída pelo Instituto de Comunicações de Portugal ou Autoridade Nacional de Comunicações (ICP-ANACOM) sendo esta reguladora do espectro. O objetivo é continuar a investigar o comportamento de duas inclinações no cenário UMi. Testes muito iniciais LTE-Advanced foram realizados para verificar a propagação dos dois raios (direto e refletido, com uma reflexão no asfalto) do BS implementado com o sistema USRP B210 e srsLTE, considerando uma célula urbana com um comprimento de 80 metros uma estação base interferente em 320 metros, a operar, provisoriamente, a 2500 - 2510 MHz (na ligação descendente, DL - Downlink, devido à disponibilidade de uma antena direcional específica para esta banda). Finalmente este trabalho de investigação pode ser resumidamente dividido em três categorias, nomeadamente investigação de análises teóricas e matemáticas relevantes da propagação de ondas de rádio em meios com e sem interferência significativa. Medições para verificar o comportamento do sinal de propagação da tecnologia LTE-Advanced com recursos ao analisador de espectro, simulação das antenas, fabricação e medição das características de radiação das mesmas. Assim, as antenas concebidas com bons resultados foram fabricadas nas instalações da Faculdade de Ciências no Departamento de Física da Universidade da Beira Interior, sendo de seguidas testadas e caracterizadas com o auxílio do Vector Nettwork Analyzer disponível no Laboratório de Telecomunicações do Departamento de Engenharia Eletromecânica da Universidade da Beira Interior. E, finalmente, os cálculos estatísticos que incluem o teste de normalidade de Kolmogorov-Smirnov com recurso ao software estatístico SPSS para validar os resultados obtidos seguida da construção dos gráficos no Matlab em 3D, conforme a superfície da sala
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