Innovative energy-efficient wireless sensor network applications and MAC sub-layer protocols employing RTS-CTS with packet concatenation

of energy-efficiency as well as the number of available applications. As a consequence there are challenges that need to be tackled for the future generation of WSNs. The research work from this Ph.D. thesis has involved the actual development of innovative WSN applications contributing to different research projects. In the Smart-Clothing project contributions have been given in the development of a Wireless Body Area Network (WBAN) to monitor the foetal movements of a pregnant woman in the last four weeks of pregnancy. The creation of an automatic wireless measurement system for remotely monitoring concrete structures was an contribution for the INSYSM project. This was accomplished by using an IEEE 802.15.4 network enabling for remotely monitoring the temperature and humidity within civil engineering structures. In the framework of the PROENEGY-WSN project contributions have been given in the identification the spectrum opportunities for Radio Frequency (RF) energy harvesting through power density measurements from 350 MHz to 3 GHz. The design of the circuits to harvest RF energy and the requirements needed for creating a WBAN with electromagnetic energy harvesting and Cognitive Radio (CR) capabilities have also been addressed. A performance evaluation of the state-of-the art of the hardware WSN platforms has also been addressed. This is explained by the fact that, even by using optimized Medium Access Control (MAC) protocols, if the WSNs platforms do not allow for minimizing the energy consumption in the idle and sleeping states, energy efficiency and long network lifetime will not be achieved. The research also involved the development of new innovative mechanisms that tries and solves overhead, one of the fundamental reasons for the IEEE 802.15.4 standard MAC inefficiency. In particular, this Ph.D. thesis proposes an IEEE 802.15.4 MAC layer performance enhancement by employing RTS/CTS combined with packet concatenation. The results have shown that the use of the RTS/CTS mechanism improves channel efficiency by decreasing the deferral time before transmitting a data packet. In addition, the Sensor Block Acknowledgment MAC (SBACK-MAC) protocol has been proposed that allows the aggregation of several acknowledgment responses in one special Block Acknowledgment (BACK) Response packet. Two different solutions are considered. The first one considers the SBACK-MAC protocol in the presence of BACK Request (concatenation) while the second one considers the SBACK-MAC in the absence of BACK Request (piggyback). The proposed solutions address a distributed scenario with single-destination and single-rate frame aggregation. The throughput and delay performance is mathematically derived under both ideal conditions (a channel environment with no transmission errors) and non ideal conditions (a channel environment with transmission errors). An analytical model is proposed, capable of taking into account the retransmission delays and the maximum number of backoff stages. The simulation results successfully validate our analytical model. For more than 7 TX (aggregated packets) all the MAC sub-layer protocols employing RTS/CTS with packet concatenation allows for the optimization of channel use in WSNs, v8-48 % improvement in the maximum average throughput and minimum average delay, and decrease energy consumption

Development of Textile Antennas for Energy Harvesting

The current socio-economic developments and lifestyle trends indicate an increasing consumption of technological products and processes, powered by emergent concepts, such as Internet of Things (IoT) and smart environments, where everything is connected in a single network. For this reason, wearable technology has been addressed to make the person, mainly through his clothes, able to communicate with and be part of this technological network. Wireless communication systems are made up of several electronic components, which over the years have been miniaturized and made more flexible, such as batteries, sensors, actuators, data processing units, interconnectors and antennas. Turning these systems into wearable systems is a demanding research subject. Specifically, the development of wearable antennas has been challenging, because they are conventionally built on rigid substrates, hindering their integration into the garment. That is why, considering the flexibility and the dielectric properties of textile materials, making antennas in textile materials will allow expanding the interaction of the user with some electronic devices, by interacting through the clothes. The electronic devices may thus become less invasive and more discrete. Textile antennas combine the traditional textile materials with new technologies. They emerge as a potential interface of the human-technology-environment relationship. They are becoming an active part in the wireless communication systems, aiming applications such as tracking and navigation, mobile computing, health monitoring and others. Moreover, wearable antennas have to be thin, lightweight, of easy maintenance, robust, and of low cost for mass production and commercialization. In this way, planar antennas, the microstrip patch type, have been proposed for garment applications, because this type of antenna presents all these characteristics, and are also adaptable to any surface. Such antennas are usually formed by assembling conductive (patch and ground plane) and dielectric (substrate) layers. Furthermore, the microstrip patch antennas, radiate perpendicularly to a ground plane, which shields the antenna radiation, ensuring that the human body is exposed only to a very small fraction of the radiation. To develop this type of antenna, the knowledge of the properties of textile materials is crucial as well as the knowledge of the manufacturing techniques for connecting the layers with glue, seam, adhesive sheets and others. Several properties of the materials influence the behaviour of the antenna. For instance, the bandwidth and the efficiency of a planar antenna are mainly determined by the permittivity and the thickness of the substrate. The use of textiles in wearable antennas requires thus the characterization of their properties. Specific electrical conductive textiles are available on the market and have been successfully used. Ordinary textile fabrics have been used as substrates. In general, textiles present a very low dielectric constant, εr, that reduces the surface wave losses and increases the impedance bandwidth of the antenna. However, textile materials are constantly exchanging water molecules with the surroundings, which affects their electromagnetic properties. In addition, textile fabrics are porous, anisotropic and compressible materials whose thickness and density might change with low pressures. Therefore, it is important to know how these characteristics influence the behaviour of the antenna in order to minimize unwanted effects. To explain some influences of the textile material on the performance of the wearable antennas, this PhD Thesis starts presenting a survey of the key points for the design and development of textile antennas, from the choice of the textile materials to the framing of the antenna. An analysis of the textile materials that have been used is also presented. Further, manufacturing techniques of the textile antennas are described. The accurate characterization of textile materials to use as a dielectric substrate in wearable systems is fundamental. However, little information can be found on the electromagnetic properties of the regular textiles. Woven, knits and nonwovens are inhomogeneous, highly porous, compressible and easily influenced by the environmental hygrometric conditions, making their electromagnetic characterization difficult. Despite there are no standard methods, several authors have been adapting techniques for the dielectric characterization of textiles. This PhD Thesis focuses on the dielectric characterization of the textile materials, surveying the resonant and non-resonant methods that have been proposed to characterize the textile and leather materials. Also, this PhD Thesis summarizes the characterization of textile materials made through these methods, which were validated by testing antennas that performed well. Further a Resonant-Based Experimental Technique is presented. This new method is based on the theory of resonance-perturbation, extracting the permittivity and loss tangent values based on the shifts caused by the introduction of a superstrate on the patch of a microstrip antenna. The results obtained using this method have shown that when positioning the roughest face of the material under test (MUT) in contact with the resonator board, the extracted dielectric constant value is lower than the one extracted with this face positioned upside-down. Based on this observation, superficial properties of textiles were investigated and their influence on the performance of antennas was analysed. Thus, this PhD Thesis relates the results of the dielectric characterization to some structural parameters of textiles, such as surface roughness, superficial and bulk porosities. The results show that both roughness and superficial porosity of the samples influence the measurements, through the positioning of the probes. Further, the influence of the positioning of the dielectric material on the performance of textile microstrip antennas was analysed. For this, twelve prototypes of microstrip patch antennas were developed and tested. The results show that, despite the differences obtained on the characterization when placing the face or reverse-sides of the MUT in contact with the resonator board, the obtained average result of εr is well suited to design antennas ensuring a good performance. According to the European Commission Report in 2009, “Internet of Things — An action plan for Europe”, in the next years, the IoT will be able to improve the quality of life, especially in the health monitoring field. In the Wireless Body Sensor Network (WBSN) context, the integration of textile antennas for energy harvesting into smart clothing is a particularly interesting solution for a continuous wirelessly feed of the devices. Indeed, in the context of wearable devices the replacement of batteries is not easy to practice. A specific goal of this PhD Thesis is thus to describe the concept of the energy harvesting and then presents a survey of textile antennas for RF energy harvesting. Further, a dual-band printed monopole textile antenna for electromagnetic energy harvesting, operating at GSM 900 and DCS 1800 bands, is also proposed. The antenna aims to harvest energy to feed sensor nodes of a wearable health monitoring system. The gains of the antenna are around 1.8 dBi and 2.06 dBi allied with a radiation efficiency of 82% and 77.6% for the lowest and highest frequency bands, respectively. To understand and improve the performance of the proposed printed monopole textile antenna, several manufacturing techniques are tested through preliminary tests, to identify promising techniques and to discard inefficient ones, such as the gluing technique. Then, the influence of several parameters of the manufacturing techniques on the performance of the antenna are analysed, such as the use of steam during lamination, the type of adhesive sheet, the orientation of the conductive elements and others. For this, seven prototypes of the printed monopole textile antenna were manufactured by laminating and embroidering techniques. The measurement of the electrical surface resistance, Rs, has shown that the presence of the adhesive sheet used on the laminating process may reduce the conductivity of the conductive materials. Despite that, when measuring the return loss of printed monopole antennas produced by lamination, the results show the antennas have a good performance. The results also show that the orientation of the conductive fabric does not influence the performance of the antennas. However, when testing embroidered antennas, the results show that the direction and number of the stitches in the embroidery may influence the performance of the antenna and should thus be considered during manufacturing. The textile antennas perform well and their results support and give rise to the new concept of a continuous substrate to improve the integration of textile antennas into clothing, in a more comfortable and pleasure way. A demonstrating prototype, the E-Caption: Smart and Sustainable Coat, is thus presented. In this prototype of smart coat, the printed antenna is fully integrated, as its dielectric is the textile material composing the coat itself. The E-Caption illustrates the innovative concept of textile antennas that can be manipulated as simple emblems. The results obtained testing the antenna before and after its integration into cloth, show that the integration does not affect the behaviour of the antenna. Even on the presence of the human body the antenna is able to cover the proposed resonance frequencies (GSM 900 and DCS 1800 bands) with the radiation pattern still being omnidirectional. At last, the exponential growth in the wearable market boost the industrialization process of manufacturing textile antennas. As this research shows, the patch of the antennas can be easily and efficiently cut, embroidered or screen printed by industrial machines. However, the conception of a good industrial substrate that meets all the mechanical and electromagnetic requirements of textile antennas is still a challenge. Following the continuous substrate concept presented and demonstrated through the E-Caption, a new concept is proposed: the continuous Substrate Integrating the Ground Plane (SIGP). The SIGP is a novel textile material that integrates the dielectric substrate and the conductive ground plane in a single material, eliminating one laminating process. Three SIGP, that are weft knitted spacer fabrics having one conductive face, were developed in partnership with the Borgstena Textile Portugal Lda, creating synergy between research in the academy and industry. The results of testing the performance of the SIGP materials show that the integration of the ground plane on the substrate changes the dielectric constant of the material, as a consequence of varying the thickness. Despite this, after the accurate dielectric and electrical characterization, the SIGP I material has shown a good performance as dielectric substrate of a microstrip patch antenna for RF energy harvesting. This result is very promising for boosting the industrial fabrication of microstrip patch textile antennas and their mass production and dissemination into the IoT network, guiding future developments of smart clothing and wearables.Os atuais desenvolvimentos socioeconómicos e tendências de estilo de vida apontam para um crescimento do consumo de produtos e processos tecnológicos, impulsionado por conceitos emergentes como a Internet das Coisas, onde tudo tudo está conectado em uma única rede. Por esta razão, as tecnologias usáveis (wearable) estão a afirmar-se propondo soluções que tornam o utilizador possivelmente através das suas roupas, capaz de comunicar com e fazer parte desta rede. Os sistemas de comunicações sem fios são constituídos por diversos componentes eletrónicos, que com o passar dos anos foram sendo miniaturizados e fabricados em materiais flexíveis, tais como as baterias, os sensores, as unidades de processamento de dados, as interconexões e as antenas. Tornar os sistemas de comunicações sem fios em sistemas usáveis requer trabalho de investigação exigente. Nomeadamente, o desenvolvimento de antenas usáveis tem sido um desafio, devido às antenas serem tradicionalmente desenvolvidas em substratos rígidos, que dificultam a sua integração no vestuário. Dessa forma, considerando a flexibilidade e as propriedades dielétricas dos materiais têxteis, as antenas têxteis trazem a promessa de permitir a interacção dos utilizadores com os dispositivos eletrónicos através da roupa, tornando os dispositivos menos invasivos e mais discretos. As antenas têxteis combinam os materiais têxteis tradicionais com novas tecnologias e emergem assim como uma potencial interface de fronteira entre seres humanos-tecnologias-ambientes. Expandindo assim a interação entre o utilizador e os dispositivos eletrónicos ao recurso do vestuário. Assim, através das antenas têxteis, o vestuário torna-se uma parte ativa nos sistemas de comunicação sem fios, visando aplicações como rastreamento e navegação, computação móvel, monitorização de saúde, entre outros. Para isto, as antenas para vestir devem ser finas, leves, de fácil manutenção, robustas e de baixo custo para produção em massa e comercialização. Desta forma, as antenas planares do tipo patch microstrip têm sido propostas para aplicações em vestuário, pois apresentam todas estas características e também são adaptáveis a qualquer superfície. Estas antenas são geralmente formadas pela sobreposição de camadas condutoras (elemento radiante e plano de massa) e dielétricas (substrato). Além disso, as antenas patch microstrip irradiam perpendicularmente ao plano de massa, que bloqueia a radiação da antena, garantindo que o corpo humano é exposto apenas a uma fração muito pequena da radiação. Para desenvolver este tipo de antena, é crucial conhecer as propriedades dos materiais têxteis, bem como as técnicas de fabricação para conectar as camadas, com cola, costuras, folhas adesivas, entre outros. Diversas propriedades dos materiais influenciam o comportamento da antena. Por exemplo, a permitividade e a espessura do substrato determinam a largura de banda e a eficiência de uma antena planar. O uso de têxteis em antenas usáveis requer assim uma caracterização precisa das suas propriedades. Os têxteis condutores elétricos são materiais específicos que estão disponíveis comercialmente em diversas formas e têm sido utilizados com sucesso para fabricar o elemento radiante e o plano de massa das antenas. Para fabricar o substrato dielétrico têm sido utilizados materiais têxteis convencionais. Geralmente, os materiais têxteis apresentam uma constante dielétrica (εr) muito baixa, o que reduz as perdas de ondas superficiais e aumenta a largura de banda da antena. No entanto, os materiais têxteis estão constantemente a trocar moléculas de água com o ambiente em que estão inseridos, o que afeta as suas propriedades eletromagnéticas. Além disso, os tecidos e os outros materiais têxteis planares são materiais porosos, anisotrópicos e compressíveis, cuja espessura e densidade variam sob muito baixas pressões. Portanto, é importante saber como estas grandezas e características estruturais influenciam o comportamento da antena, de forma a minimizar os efeitos indesejáveis. Para explicar algumas das influências do material têxtil no desempenho das antenas usáveis, esta Tese de Doutoramento começa por fazer o estado da arte sobre os pontos-chave para o desenvolvimento de antenas têxteis, desde a escolha dos materiais têxteis até ao processo de fabrico da antena. Além disso, a tese identifica e apresenta uma análise dos materiais têxteis e técnicas de fabricação que têm sido utilizados e referidos na literatura. A caracterização rigorosa dos materiais têxteis para usar como substrato dielétrico em sistemas usáveis é fundamental. No entanto, pouca informação existe sobre a caracterização das propriedades eletromagnéticas dos têxteis vulgares. Como já referido, os tecidos, malhas e não-tecidos são materiais heterogéneos, altamente porosos, compressíveis e facilmente influenciados pelas condições higrométricas ambientais, dificultando a sua caracterização eletromagnética. Não havendo nenhum método padrão, vários autores têm vindo a adaptar algumas técnicas para a caracterização dielétrica dos materiais têxteis. Esta Tese de Doutoramento foca a caracterização dielétrica dos materiais têxteis, revendo os métodos ressonantes e não ressonantes que foram propostos para caracterizar os materiais têxteis e o couro. Além disso, esta Tese de Doutoramento resume a caracterização de dieléctricos têxteis feita através dos métodos revistos e que foi validada testando antenas que apresentaram um bom desempenho. No seguimento da revisão, apresenta-se uma Técnica Experimental Baseada em Ressonância. Esta nova técnica baseia-se na teoria da perturbação de ressonância, sendo a permitividade e tangente de perda extraídas com base nas mudanças de frequência causadas pela introdução de um superstrato no elemento radiante de uma antena patch microstrip. Os resultados de caracterização obtidos através deste método revelam que, ao posicionar a face mais rugosa do material em teste em contato com a placa de ressonância, o valor da constante dielétrica extraída é inferior ao valor extraído quando esta face é colocada ao contrário. Com base nesta observação, as propriedades estruturais da superfície dos materiais têxteis foram investigadas e a sua influência no desempenho das antenas foi analisada. Assim, esta Tese de Doutoramento relaciona os resultados da caracterização dielétrica com alguns parâmetros estruturais dos materiais, como rugosidade da superfície, porosidades superficial e total. Os resultados mostram que tanto a rugosidade como a porosidade superficial das amostras influenciam os resultados, que dependem assim do posicionamento do material que está a ser testado. Também foi analisada a influência do posicionamento do material dielétrico na performance das antenas têxteis tipo patch microstrip. Para isso, foram desenvolvidos e testados doze protótipos de antenas patch microstrip. Os resultados mostram que, apesar das diferenças observadas durante o processo de caracterização, o valor médio da permitividade é adequado para a modelação das antenas, garantindo um bom desempenho. De acordo com o relatório da Comissão Europeia, “Internet das Coisas - Um plano de ação para a Europa”, emitido em 2009, nos próximos anos a Internet das Coisas poderá melhorar a qualidade de vida das pessoas, nomeadamente pela monitorização da saúde. No contexto das Redes de Sensores Sem Fios do Corpo Humano, a integração de antenas têxteis para recolha de energia em roupas inteligentes é uma solução particularmente interessante, pois permite uma alimentação sem fios e contínua dos dispositivos. De fato, nos dispositivos usáveis a substituição de baterias não é fácil de praticar. Um dos objetivos específicos desta Tese de Doutoramento é, portanto, descrever o conceito de recolha de energia e apresentar o estado da arte sobre antenas têxteis para recolha de energia proveniente da Rádio Frequência (RF). Nesta tese, é também proposta uma antena impressa do tipo monopolo de dupla banda, fabricada em substrato têxtil, para recolha de energia eletromagnética, operando nas bandas GSM 900 e DCS 1800. A antena visa recolher energia para alimentar os nós de sensores de um sistema usável para monitorização da saúde. Os ganhos da antena apresentada foram cerca de 1.8 dBi e 2.06 dBi, aliados a uma eficiência de radiação de 82% e 77.6% para as faixas de frequência mais baixa e alta, respetivamente. Para entender e melhorar o desempenho da antena impressa tipo monopolo de dupla banda em substrato têxtil, várias técnicas de fabrico foram testadas através de testes preliminares, de forma a identificar as técnicas promissoras e a descartar as ineficientes, como é o caso da técnica de colagem. De seguida, analisou-se a influência de vários parâmetros das técnicas de fabrico sobre o desempenho da antena, como o uso de vapor durante a laminação, o tipo de folha adesiva, a orientação dos elementos irradiantes e outros. Para isto, sete protótipos da antena têxtil monopolar impressa foram fabricados por técnicas de laminação e bordado. As medições da resistência elétrica superficial, Rs, mostrou que a presença da folha adesiva usada no processo de laminagem pode reduzir a condutividade dos materiais condutores. Apesar disso, ao medir o S11 das antenas impressas tipo monopolo produzidas por laminagem, os resultados mostram que as antenas têm uma boa adaptação da impedância. Os resultados também mostram que a orientação do tecido condutor, neste caso um tafetá, não influencia o desempenho das antenas. No entanto, ao testar antenas bordadas, os resultados mostram que a direção e o número de pontos no bordado podem influenciar o desempenho da antena e, portanto, estas são características que devem ser consideradas durante a fabricação. De um modo geral, as antenas têxteis funcionam bem e seus resultados suportam e dão origem ao um novo conceito de substrato contínuo para melhorar a integração de antenas têxteis no vestuário, de maneira mais confortável e elegante. A tese apresenta um protótipo demonstrador deste conceito, o E-Caption: A Smart and Sustainable Coat. Neste protótipo de casaco inteligente, a antena impressa está totalmente integrada, pois o seu substrato dielétrico é o próprio mat

A critical analysis of research potential, challenges and future directives in industrial wireless sensor networks

In recent years, Industrial Wireless Sensor Networks (IWSNs) have emerged as an important research theme with applications spanning a wide range of industries including automation, monitoring, process control, feedback systems and automotive. Wide scope of IWSNs applications ranging from small production units, large oil and gas industries to nuclear fission control, enables a fast-paced research in this field. Though IWSNs offer advantages of low cost, flexibility, scalability, self-healing, easy deployment and reformation, yet they pose certain limitations on available potential and introduce challenges on multiple fronts due to their susceptibility to highly complex and uncertain industrial environments. In this paper a detailed discussion on design objectives, challenges and solutions, for IWSNs, are presented. A careful evaluation of industrial systems, deadlines and possible hazards in industrial atmosphere are discussed. The paper also presents a thorough review of the existing standards and industrial protocols and gives a critical evaluation of potential of these standards and protocols along with a detailed discussion on available hardware platforms, specific industrial energy harvesting techniques and their capabilities. The paper lists main service providers for IWSNs solutions and gives insight of future trends and research gaps in the field of IWSNs

Radio frequency channel characterization for energy harvesting in factory environments

This thesis presents ambient energy data obtained from a measurement campaign carried out at an automobile plant. At the automobile plant, ambient light, ambient temperature and ambient radio frequency were measured during the day time over two days. The measurement results showed that ambient light generated the highest DC power. For plant and operation managers at the automobile plant, the measurement data can be used in system design considerations for future energy harvesting wireless sensor nodes at the plant. In addition, wideband measurements obtained from a machine workshop are presented in this thesis. The power delay profile of the wireless channel was obtained by using a frequency domain channel sounding technique. The measurements were compared with an equivalent ray tracing model in order to validate the suitability of the commercial propagation software used in this work. Furthermore, a novel technique for mathematically recreating the time dispersion created by factory inventory in a radio frequency channel is discussed. As a wireless receiver design parameter, delay spread characterizes the amplitude and phase response of the radio channel. In wireless sensor devices, this becomes paramount, as it determines the complexity of the receiver. In reality, it is sometimes difficult to obtain full detail floor plans of factories for deterministic modelling or carry out spot measurements during building construction. As a result, radio provision may be suboptimal. The method presented in this thesis is based on 3-D fractal geometry. By employing the fractal overlaying algorithm presented, metallic objects can be placed on a floor plan so as to obtain similar radio frequency channel effects. The environment created using the fractal approach was used to estimate the amount of energy a harvesting device can accumulate in a University machine workshop space

Amorphous Silicon Solar Vivaldi Antenna

An ultra-wideband solar Vivaldi antenna is proposed. Cut from amorphous silicon cells, it maintains a peak power at 4.25 V which overcomes a need for lossy power management components. The wireless communications device can yield solar energy or function as a rectenna for dual-source energy harvesting. The solar Vivaldi performs with 0.5 - 2.8 dBi gain from 0.95 - 2.45 GHz and in rectenna mode, it covers three bands for wireless energy scavenging

New Radio Small Cell Propagation Environment

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

Wireless power transmission: R&D activities within Europe

Wireless power transmission (WPT) is an emerging technology that is gaining increased visibility in recent years. Efficient WPT circuits, systems and strategies can address a large group of applications spanning from batteryless systems, battery-free sensors, passive RF identification, near-field communications, and many others. WPT is a fundamental enabling technology of the Internet of Things concept, as well as machine-to-machine communications, since it minimizes the use of batteries and eliminates wired power connections. WPT technology brings together RF and dc circuit and system designers with different backgrounds on circuit design, novel materials and applications, and regulatory issues, forming a cross disciplinary team in order to achieve an efficient transmission of power over the air interface. This paper aims to present WPT technology in an integrated way, addressing state-of-the-art and challenges, and to discuss future R&D perspectives summarizing recent activities in Europe.The work of N. Borges Carvalho and A. J. S. Soares Boaventura was supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) under Project CREATION EXCL/EEI-TEL/0067/2012 and Doctoral Scholarship SFRH/BD/80615/2011. The work of H. Rogier was supported by BELSPO through the IAP Phase VII BESTCOM project and the Fund for Scientific Research-Flanders (FWO-V). The work of A. Georgiadis and A. Collado was supported by the European Union (EU) under Marie Curie FP7-PEOPLE-2009-IAPP 251557 and the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness Project TEC 2012-39143. The work of J. A. García and M. N. Ruíz was supported by the Spanish Ministries MICINN and MINECO under FEDER co-funded Project TEC2011-29126-C03-01 and Project CSD2008-00068. The work of J. Kracek and M. Mazanek was supported in part by the Czech Ministry of Education Youth and Sports under Project OC09075–Novel Emerging Wireless Systems