Técnicas de processamento MIMO para sistemas 4G

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesThe theme of this dissertation work is focused in one of the key technologies specified in the last 4G cellular standards, which are the MIMO systems. In this context, the MIMO (Multiple Input Multiple Output) acronym is used to define a communication system where multiple antennas are used, therefore using this type of systems jointly with specific signal processing techniques, we can use the spatial dimension in order to generate multiplexing, diversity and beamforming gains. The aim of this work is to show the type of signal processing techniques that must be applied in order to achieve the gains referenced above, as well the optimal channel conditions in which these gains are maximized.Therefore, beyond the presentation of the theoretical background related with these type of techniques, we will present the MIMO transmission modes specified on 4G-LTE, having not only the aiming of show the type of practical constraints verified in a practical implementation, but also present the solutions used to solve that kind of constraints. In the last part of this work is presented a simulation platform implemented for one of the spatial multiplexing modes specified on LTE, which is the mode 4. The numerical results obtained allowed to see the advantage in the use of SIC (Successive Interference Cancelation) equalizers for multi-layer transmission modes, as well as the performance limitations related with the transmission through a channel where high spatial correlation conditions are verified. With the use of multiple precoding matrices, we understand the importance of perform a correct precoding selection in order to improve the transmission through a channel with this type of conditions.Beyond the observations referred above, we also saw the diversity cost related with the increase of spatial multiplexing gain.O tema deste trabalho de dissertação visa uma das tecnologias chave especificada nos últimos standards 4G para o sector das comunicações móveis, que são os sistemas MIMO. Neste contexto, o acrónimo MIMO é usado para referenciar um sistema de comunicação que faz uso de múltiplas antenas, assim, usando este tipo de sistemas conjuntamente com técnicas de processamento de sinal apropriadas, podemos usar a dimensão espacial de forma a gerar ganhos de multiplexagem, diversidade e beamforming. O objetivo deste trabalho é mostrar que tipo de processamento de sinal deve ser feito de forma a gerar cada um dos ganhos acima referidos, assim como as condições de canal em que estes podem ser maximizados. Para além da apresentação dos fundamentos teóricos relacionados com este tipo de técnicas, iremos apresentar os modos de transmissão MIMO especificados para o 4GLTE, tendo não só como objectivo observar o tipo de constrangimentos prácticos inerentes a uma implementação real, mas também observar o tipo de soluções usadas para fazer face a esses mesmos constrangimentos. Na parte final do trabalho é apresentada uma plataforma de simulação implementada para um dos modos de multiplexagem espacial especificados no LTE, ou seja o modo 4. Os resultados numéricos obtidos permitiram constatar a vantagem em usar equalizadores SIC em modos de transmissão multi-camada, assim como também nos permitiu observar as limitações de performance inerentes á transmissão através de um canal com elevada correlação espacial. Usando várias matrizes de pré-codificação especificadas no LTE para este modo, conseguimos perceber a importância que a escolha de uma correcta précodificação tem no melhoramento de desempenho da transmissão neste tipo de canais. Para além das observações referidas acima, também podemos verificar o custo em termos de diversidade inerente ao aumento do ganho de multiplexagem

Pervasive gaps in Amazonian ecological research

Biodiversity loss is one of the main challenges of our time,1,2 and attempts to address it require a clear un derstanding of how ecological communities respond to environmental change across time and space.3,4 While the increasing availability of global databases on ecological communities has advanced our knowledge of biodiversity sensitivity to environmental changes,5–7 vast areas of the tropics remain understudied.8–11 In the American tropics, Amazonia stands out as the world’s most diverse rainforest and the primary source of Neotropical biodiversity,12 but it remains among the least known forests in America and is often underrepre sented in biodiversity databases.13–15 To worsen this situation, human-induced modifications16,17 may elim inate pieces of the Amazon’s biodiversity puzzle before we can use them to understand how ecological com munities are responding. To increase generalization and applicability of biodiversity knowledge,18,19 it is thus crucial to reduce biases in ecological research, particularly in regions projected to face the most pronounced environmental changes. We integrate ecological community metadata of 7,694 sampling sites for multiple or ganism groups in a machine learning model framework to map the research probability across the Brazilian Amazonia, while identifying the region’s vulnerability to environmental change. 15%–18% of the most ne glected areas in ecological research are expected to experience severe climate or land use changes by 2050. This means that unless we take immediate action, we will not be able to establish their current status, much less monitor how it is changing and what is being lostinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

Pervasive gaps in Amazonian ecological research

Biodiversity loss is one of the main challenges of our time,1,2 and attempts to address it require a clear understanding of how ecological communities respond to environmental change across time and space.3,4 While the increasing availability of global databases on ecological communities has advanced our knowledge of biodiversity sensitivity to environmental changes,5,6,7 vast areas of the tropics remain understudied.8,9,10,11 In the American tropics, Amazonia stands out as the world's most diverse rainforest and the primary source of Neotropical biodiversity,12 but it remains among the least known forests in America and is often underrepresented in biodiversity databases.13,14,15 To worsen this situation, human-induced modifications16,17 may eliminate pieces of the Amazon's biodiversity puzzle before we can use them to understand how ecological communities are responding. To increase generalization and applicability of biodiversity knowledge,18,19 it is thus crucial to reduce biases in ecological research, particularly in regions projected to face the most pronounced environmental changes. We integrate ecological community metadata of 7,694 sampling sites for multiple organism groups in a machine learning model framework to map the research probability across the Brazilian Amazonia, while identifying the region's vulnerability to environmental change. 15%–18% of the most neglected areas in ecological research are expected to experience severe climate or land use changes by 2050. This means that unless we take immediate action, we will not be able to establish their current status, much less monitor how it is changing and what is being lost

Segurança na camada física para redes sem fios com a ajuda de jamming

Due to the open nature of the radio environment, the communication over a wireless channel is particularly prone to eavesdropping attacks. To ensure confidentiality, today networks rely on higher layer cryptographic protocols, which provide protection grounding on the assumption that some mathematical problems cannot be solved efficiently using current technologies. However, recent advances in the field of quantum physics established quantum computation as one of the major threats that higher layer cryptographic protocols might face in the near future, as some of these same problems will be solved efficiently with this new form of computation. In this context, the concept of physical layer security emerges as a promising solution to address such concerns by securing wireless channels at the physical layer. The present thesis intends to extend the knowledge on the latter field, giving particular emphasis to the development and analysis of new cooperative jamming techniques. Thereby, to expose the importance of the signal structure on physical layer security, this thesis starts by deriving a closed form solution for the achievable secrecy rate when multiple jammers employ interference alignment in a wiretap channel. The evaluation of this secrecy rate allowed to better understand the relevance of non-decomposable sets on cooperative jamming. Then, assuming a varying channel condition without jamming, the same analysis is carried out considering that proper and improper constellation structures are transmitted coherently with the legitimate link. In this case, it was possible to conclude that the more information is mapped on the signal phase, less information leaks to the eavesdropper. This initial study not only contributed with new theoretical results to the literature, but it also defined some basic ground knowledge for the remaining of the thesis. Following some of that knowledge, a hybrid cooperative jamming scheme is developed next by combining blind jamming with interference alignment. The goal is to protect a broadcast channel from eavesdropping attacks carried out both by registered users and external terminals. The latter work stands out from those found in the literature by proposing a cooperative jamming solution that achieves positive secure degrees of freedom in a more demanding secrecy scenario. The final point addressed in this document analyzes the impact of the channel training phase on physical layer security. In that scope, an innovative secure channel training method is jointly designed with a cooperative jamming technique to improve secrecy on a varying broadcast channel. The evaluation of the latter method revealed that under dynamic channel conditions, limiting the availability of channel information at the eavesdropper can be used to extend the system secrecy.Devido à natureza aberta do ambiente de rádio, a comunicação através de um canal sem fios é particularmente propensa a ataques de espionagem. De forma a garantir confidencialidade, as redes atuais contam com protocolos criptográficos que fornecem proteção com base na assunção de que alguns problemas matemáticos não podem ser resolvidos eficientemente com as tecnologias atuais. No entanto, avanços recentes no campo da física quântica estabeleceram a computação quântica como uma das principais ameaças que estes protocolos criptográficos podem vir a enfrentar no futuro próximo, já que alguns destes problemas serão resolvidos eficientemente com esta nova forma de computação. Neste contexto, o conceito de segurança da camada física surge como uma solução promissora para lidar com tais problemas protegendo o canal sem fios na camada física. Esta dissertação analisa de que forma a segurança da camada física pode ser explorada para combater tais ameaças, dando ênfase especial ao desenvolvimento de novas técnicas de jamming cooperativo. Assim, de forma a expor a importância da estrutura do sinal na segurança da camada física, esta tese começa por formular a taxa de sigilo alcançável quando vários jammers cooperativos aplicam técnicas de alinhamento de interferência em um canal de escuta. A avaliação desta taxa de segurança permitiu entender melhor a relevância dos conjuntos não decomponíveis em sistemas de jamming cooperativo. De seguida, assumindo uma condição de canal variável e sem jamming cooperativo, o mesmo tipo de análise foi realizada considerando a transmissão coerente de estruturas de constelação apropriadas e impróprias. Neste caso, foi possível concluir que quanto mais informação é mapeada na fase do sinal, menos informação vaza para o intruso. Este estudo inicial não só contribuiu com novos resultados teóricos para a literatura, como também definiu alguns conhecimentos básicos para o restante da tese. Aplicando parte desse conhecimento, um esquema híbrido de interferência cooperativa é desenvolvido a seguir combinando blind jamming com alinhamento de interferência. O objectivo é proteger um canal de broadcast de ataques de espionagem realizados tanto por usuários registados como por terminais externos. Este trabalho destaca-se na literatura ao propor uma solução de jamming cooperativo que atinge graus de liberdade seguros em um cenário de sigilo mais exigente. O último ponto abordado neste documento analisa o impacto da fase de treinamento do canal na segurança da camada física. Nesse âmbito, um método inovador de treinamento de canal seguro é desenvolvido juntamente com uma técnica de jamming cooperativo de forma a melhorar o sigilo em um canal de broadcast variável. A avaliação deste método revelou que, sob condições de canal dinâmico, limitar a disponibilidade de informação do canal no intruso pode ser usado para melhorar o sigilo do sistema.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic