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Title: Avaliação de transmissão de sinais M-QAM em modelos de canais sujeitos a ruído impulsivo e desvanecimento generalizado.
Other Titles: Evaluation of transmission of M-QAM signals in channel models subject to impulsive noise and general fading.
???metadata.dc.creator???: SILVA, Hugerles Sales.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: ALENCAR, Marcelo Sampaio de.
???metadata.dc.contributor.advisor2???: QUEIROZ, Wamberto José Lira de.
???metadata.dc.contributor.referee1???: FREIRE, Raimundo Carlos Silvério.
???metadata.dc.contributor.referee2???: FARIAS, José Ewerton Pombo de.
???metadata.dc.contributor.referee3???: CARVALHO, Marcelo Menezes de.
???metadata.dc.contributor.referee4???: LOPES, Waslon Terllizzie Araújo.
Keywords: Desvanecimento generalizado;Probabilidade de erro de bit;Relação sinal-ruído impulsivo;Widespread fading;Bit error probability;Impulsive signal-to-noise ratio;G2AWGN
Issue Date: 21-Dec-2018
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: SILVA, Hugerles Sales. Avaliação de transmissão de sinais M-QAM em modelos de canais sujeitos a ruído impulsivo e desvanecimento generalizado. 2018. 213 fl. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande - Paraíba - Brasil, 2018.
???metadata.dc.description.resumo???: Esta tese apresenta um estudo da transmissão de sinais modulados digitalmente em sistemas de comunicações sem fio sujeitos a ruído e desvanecimento. Esse modelo de canal de comunicações, diferente dos anteriores, considera o canal do ponto de vista da recepção, cuja principal característica é a presença de dispositivos e equipamentos locais que geram ruído impulsivo, como motores, fontes chaveadas, modems WiFi, entre outros. As novas redes de comunicações de quinta geração, e as redes de sensores sem fio, que incluem dispositivos de Internet das coisas, são objetivos desse modelo, assim como as redes de difusão, como rádio e televisão digital. A tese apresenta uma análise matemática dos efeitos combinados dos modelos de ruído aditivo Gaussiano branco duplamente gatilhado (G2AWGN – Double Gated Additive White Gaussian Noise) binário ou multinível e do desvanecimento η-μ, κ-μ ou α-μ no sinal recebido. Expressões exatas e inéditas para o cálculo da probabilidade de erro de bit (PEB) do esquema de modulação em amplitude e quadratura M-ário (M-QAM) sujeito ao ruído G2AWGN e a modelos de desvanecimento generalizados são determinadas. Variações dessas expressões, obtidas considerando que a ocorrência do ruído impulsivo é caracterizada com o auxílio de um processo aleatório C(t), controlado por um processo de Poisson (processo telegráfico), são também apresentadas. Para análise dos resultados, são apresentadas curvas de PEB em função da relação sinal-ruído permanente para diferentes valores da relação sinal-ruído impulsivo, diferentes probabilidades de ocorrências e durações de pulsos e surtos impulsivos, ordem de constelação M e diferentes parâmetros que caracterizam a distribuição do desvanecimento. Um modelo do canal de comunicações sem fio que aplica cadeias de Markov também é descrito nesta tese. As cadeias de Markov caracterizam melhor o canal não estacionário, em relação aos modelos clássicos, porque representam uma forma de modelar alterações bruscas de comportamento estatístico das variações de intensidade do sinal transmitido à medida que o receptor trafega pelo ambiente de comunicação, cujos estados da cadeia podem ser definidos de acordo com as condições do canal para cada cenário considerado. Duas técnicas de recepção em diversidade são consideradas. A recepção em diversidade espacial é denominada recepção com combinação por razão máxima (MRC), e a recepção em diversidade de polarização usa álgebra dos quatérnios. Essas técnicas são usadas com o objetivo de diminuir as taxas de erro de bit e tornar o canal de comunicações menos susceptível aos ixefeitos do ruído impulsivo e desvanecimento. Expressões de PEB inéditas e exatas, com a inclusão destas técnicas, são apresentadas nesta tese. Um teste de hipóteses para determinar, a partir de amostras observadas, se o ruído G2AWGN está presente nos sistemas de comunicações sem fio também é apresentado. Duas abordagens para estimação dos parâmetros da função densidade de probabidade (FDP) que caracteriza matematicamente o ruido G2AWGN, uma utilizando o método dos momentos (MOM) e outra com o uso do método de máxima verossimilhança, por meio da maximização da esperança (EM), são também consideradas. Uma estratégia de mitigação dos efeitos nocivos do ruído G2AWGN a partir da teoria de sistemas lineares ótimos também é descrita. Análises numéricas da estratégia de mitigação adotada foram realizadas para um modelo de sinal OFDM. Para esse modelo, verificou-se que o filtro linear ótimo projetado consegue minimizar a interferência causada pelo ruído G2AWGN.
Abstract: This thesis presents a study of the transmission of digitally modulated signals in wireless communication systems subject to noise and fading. This communications channel model, unlike the previous ones, considers the channel from the reception point of view, whose main characteristic is the presence of local devices and equipment that generate impulsive noise, such as motors, switched sources, WiFi modems, among others. New fifth-generation communications networks and wireless sensor networks, which include IoT devices, are targets of this model, as are broadcast networks such as digital radio and television. The thesis presents a mathematical analysis of the combined effects of binary or multilevel double Gated Additive White Gaussian Noise (G2AWGN) models and η-μ, κ-μ or α-μ fading in the received signal. Exact and novel expressions for the calculation of the bit error probability (BEP) of the M-ary quadrature and amplitude modulation (M-QAM) scheme subject to G2AWGN noise and generalized fading models are determined. Variations of these expressions, obtained considering that the occurrence of impulsive noise is characterized with the aid of a random process C(t), controlled by a Poisson process (telegraphic process), are also presented. To analyze the results, PEB curves are presented as a function of the permanent signal-to-noise ratio for different values ​​of the impulsive signal-to-noise ratio, different probabilities of occurrences and durations of pulses and impulsive surges, constellation order M and different parameters that characterize the distribution of fading. A wireless communications channel model that applies Markov chains is also described in this thesis. The Markov chains better characterize the non-stationary channel, in relation to the classical models, because they represent a way to model sudden changes in the statistical behavior of variations in the intensity of the transmitted signal as the receiver travels through the communication environment, whose chain states can be defined according to the channel conditions for each considered scenario. Two diversity reception techniques are considered. Spatial diversity reception is called maximum ratio matching (MRC) reception, and polarization diversity reception uses quaternion algebra. These techniques are used to decrease bit error rates and make the communications channel less susceptible to the effects of impulsive noise and fading. New and exact PEB expressions, with the inclusion of these techniques, are presented in this thesis. A hypothesis test to determine, from observed samples, whether G2AWGN noise is present in wireless communications systems is also presented. Two approaches for estimating the parameters of the probability density function (PDF) that mathematically characterizes the G2AWGN noise, one using the method of moments (MOM) and the other using the maximum likelihood method, through the maximization of hope (EM) , are also considered. A strategy to mitigate the harmful effects of G2AWGN noise from the theory of optimal linear systems is also described. Numerical analyzes of the adopted mitigation strategy were performed for an OFDM signal model. For this model, it was found that the optimal linear filter designed can minimize the interference caused by G2AWGN noise.
Keywords: Desvanecimento generalizado
Probabilidade de erro de bit
Relação sinal-ruído impulsivo
Widespread fading
Bit error probability
Impulsive signal-to-noise ratio
G2AWGN
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Elétrica
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/27168
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