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The recent extra-large scale massive multiple-input multiple-output (XL-MIMO) systems are seen as a promising technology for providing very high data rates in increased user-density scenarios. Spatial non-stationarities and visibility regions (VRs) appear across the XL-MIMO array since its large dimension is of the same order as the distances to the user-equipments (UEs). Due to the increased density of UEs in typical applications of XL-MIMO systems and the scarcity of pilots, the design of random access (RA) protocols and scheduling algorithms become challenging. In this paper, we propose a joint RA and scheduling protocol, namely non-overlapping VR XL- MIMO (NOVR-XL) RA protocol, which takes advantage of the different VRs of the UEs for improving RA performance, besides seeking UEs with non-overlapping VRs to be scheduled in the same payload data pilot resource. Our results reveal that the proposed scheme achieves significant gains in terms of sum rate compared with traditional RA schemes, as well as reducing access latency and improving connectivity performance as a whole., 10pages, 6 figures, 2 tables. Index terms: Random-access protocol, grant-based protocols, massive MIMO, XL-MIMO, non-stationarity, visibility region (VR), scheduling

Solar cells have been extensively investigated for wireless sensor networks (WSN). In comparison to other energy harvesting techniques, solar cells are capable of harnessing the highest amount of power density. Furthermore, the energy conversion process does not involve any moving parts and does not require any intermediate energy conversion steps. Their main drawback is the inconsistent amount of energy harvested due to the intermittency and variability of the incoming solar radiation [1]. Consequently, being able to predict the amount of solar radiation is important for making necessary decisions regarding the amount of energy that can be utilized at the sensor node. We demonstrate that artificial intelligence (AI) can be used as an effective technique for predicting the amount of incoming solar radiation at these sensor nodes. We show that a Support Vector Machine (SVM) regression technique can effectively predict the amount of solar radiation for the next 24 hours based on weather data from previous days. We reveal that this technique outperforms other state of the art prediction methods for WSNs. To assess the performance of our proposed solution, we use experimental measurements that were collected for a period of two years from a weather station installed by Beijing Sunda Solar Energy Technology Company [2]. We also demonstrate how the harvested energy can be regulated using an innovative Power Management Unit [3].

We evaluate the use of HARQ schemes in the context of vehicle to infrastructure communications considering ultra reliable communications in the short term from a channel capacity stand point. We show that it is not possible to meet strict latency requirements with very high reliability without some diversity strategy and propose a solution to determining an optimal limit on the maximum allowed number of retransmissions using Chase combining and simple HARQ to increase energy efficiency. Results show that using the proposed optimizations leads to spending 5 times less energy when compared to only one retransmission in the context of a benchmark test case for urban scenario. In addition, we present an approximation that relates most system parameters and can predict whether or not the link can be closed, which is valuable for system design.

The energy efficiency of non-cooperative and cooperative transmissions are investigated in a two-dimensional wireless sensor network, considering a target outage probability and the same end-to-end throughput for all transmission schemes. The impact of the relay selection method in the cooperative schemes is also analyzed. We show that under non line-of-sight conditions the relay selection method has a greater impact in the energy efficiency than the availability of a return channel. By its turn, under line-of-sight conditions a return channel is more valuable to the energy efficiency of cooperative transmission than the specific relay selection method. Finally, we demonstrate that the energy efficiency advantage of the cooperative over the non-cooperative transmission increases with the distance among nodes and with the nodes density.

CNPq Nesta tese abordamos técnicas de diversidade espacial e cooperativa em dois tipos de sistemas de comunicação sem fio: sistemas digitais e sistemas analógicos. No âmbito dos sistemas digitais, consideramos a transmissão entre nós de uma rede de sensores sem fio. Uma vez que estas redes são caracterizadas por um grande número de nós, cuja quantidade de energia disponível é restrita, focamos em esquemas eficientes sob o ponto de vista do consumo de energia. Para tanto, analisamos protocolos cooperativos e técnicas com múltiplas antenas procurando delinear a real eficiência dessas técnicas em cenários práticos de redes de sensores sem fio, onde levamos em consideração questões como condição de linha de visada entre os nós, o consumo dos circuitos de transmissão e recepção, a presença ou não do canal de retorno, restrições de perda de pacotes e atraso, além de possíveis não linearidades no consumo das baterias dos dispositivos. Nossos resultados mostram que algumas das conclusões da literatura podem se inverter quando parâmetros mais adequados são levados em conta. Além disso, detalhamos as regiões mais eficientes de operação para cada método de transmissão nas referidas redes. Por outro lado, no âmbito dos sistemas analógicos, consideramos sistemas de codificação analógica conjunta fonte-canal que realizam uma compressão da largura de banda. Tais sistemas têm apelo em cenários nos quais a complexidade e atraso podem ser fatores limitantes. Nesse caso, procuramos primeiramente aplicar o que já existe na literatura no contexto de canais sem fio, para então focar em esquemas cooperativos e de múltiplas antenas que reduzam a distorção no receptor, buscando aproximar o desempenho desses sistemas ao seu limite teórico. Nossos resultados mostram uma melhoria de desempenho quando a diversidade espacial e cooperativa são utilizadas. Além disso, a solução analógica proposta se aproxima do limitante superior de desempenho de um sistema digital prático, com a vantagem de oferecer menor complexidade e atraso, além de maior flexibilidade no projeto do sistema. In this thesis we discuss spatial diversity and cooperative diversity techniques for two types of wireless communication systems: digital systems and analog systems. In the context of digital systems, we consider the transmission between nodes of a wireless sensor network. Since these networks are characterized by a large number of nodes, with limited amount of energy, we focus on efficient schemes from the point of view of the energy consumption. For this purpose, we analyze cooperative protocols and multiple antenna techniques trying to delineate the real effectiveness of these techniques in practical wireless sensor networks scenarios, where we consider issues such as line of sight, the energy consumption of the transmit and receive circuits, the availability or not of a feedback channel, packet loss and delay constraints, and possible nonlinearities in the battery consumption. Our results show that some of the conclusions of the literature can change if some of these parameters are taken into account. Furthermore, we detail the most efficient operation regions for each transmission method in such networks. On the other hand, in the context of analog systems, we consider analog joint source-channel coding systems performing bandwidth compression. Such systems are suitable for scenarios in which the complexity and delay can be limiting factors. In this case, we first apply some of the already existing concepts of the literature to the context of wireless channels, and then focus on cooperative schemes and multiple antenna techniques to reduce the distortion at the receiver, while trying to approximate the performance of these systems to their theoretical limit. Our results show a performance improvement when spatial and cooperative diversity are used. Moreover, the proposed analog solution approaches the upper bound performance of a practical digital system, with the advantage of lower complexity and delay, and more flexibility in the system design.

Energy Efficiency in Cooperative Wireless Sensor Networks

CAPES Nessa dissertação de mestrado apresentamos um novo método HARQ para sistemas de comunicação cooperativa, denominado Retransmissão Parcial Codificada (RPC). Esse método é baseado na retransmissão de apenas uma fração da palavra código original por parte dos nós cooperativos, aplicando a essa fração um ganho de potência apropriado. Os resultados numéricos utilizando códigos LDPC e HARQ Tipo-I com Chase Combining mostram que o RPC supera os esquemas HARQ cooperativos tradicionais considerando os protocolos AAF e SDF. Além disso, mostramos que a vazão (throughput) do RPC, utilizando apenas um único relay, pode ser consideravelmente maior que a vazão de alguns métodos HARQ cooperativos que utilizam múltiplos relays. In this master thesis we present a novel HARQ scheme for cooperative communication systems, called Coded Partial Retransmission (CPR). The method is based on the retransmission of only a fraction of the original codeword by the cooperating nodes, applying an appropriate power allocation. Numerical results using LDPC codes and Type-I HARQ with Chase Combining show that CPR outperforms regular cooperative HARQ techniques considering both AAF and SDF protocols. Additionally, we show that the CPR throughput, using a single relay, may be considerably larger than the throughput of some regular cooperative HARQ schemes using multiple relays.

Este trabalho estuda o impacto energético da otimização do tamanho do payload de códigos convolucionais em um enlace sem fio ponto-a-ponto dentro de uma rede de sensores. Consideram-se dois modelos de canal, AWGN e Rayleigh, visando representar cenários com diferentes características quanto à severidade de enlace. Nesse contexto, faz-se o estudo da otimização da relação sinal-ruído, da taxa de código empregada, bem como a otimização do tamanho do payload para diferentes condições de transmissão. Os dados numéricos obtidos através de simulação demonstram que existe um ponto ótimo para o tamanho do payload, que varia com a distância de transmissão e que proporciona ganhos em termos de eficiência energética, especialmente em enlaces de curta distância. This paper studies the impact of the payload size in the energy efficiency in a point-to-point link in a wireless sensor network using convolutional codes. Two channel models are considered, AWGN and Rayleigh, representing distinct conditions with respect to the severity of the link. In this context, signal-to-noise ratio, code rate and payload size are optimized. The numeric results obtained through simulations show that there is an optimal point for the payload size, which depends on the transmission distance, and which provides gains in the overall energy efficiency, especially in short range links.

Garantir o baixo consumo de energia é algo crucial nas comunicações subaquáticas, uma vez que a substituição da bateria dos sensores nesse cenário é algo indesejável devido à dificuldade e alto custo financeiro. No presente trabalho analisamos o consumo energético de uma rede acústica subaquática implementando códigos fontanais, algo que fornece uma característica interessante para cenários com longos atrasos de transmissão, como é o caso das redes acústicas subaquáticas. Assim, a otimização do número de pacotes redundantes em conjunto com a possibilidade de retransmissões a cada salto para garantir confiabilidade permitem uma otimização global da rede. Além disso, para reduzir o consumo de energia neste cenário, otimizamos a ordem de modulação assumindo um chaveamento de mudança de fase diferencial (M-DPSK), bem como o número de saltos e tentativas de transmissão por salto. Investigamos o número necessário de pacotes codificados por fonte para diferentes ordens de modulação e número de saltos. Nossos resultados mostram que, ao permitir retransmissões e otimizar o número de saltos e a ordem de modulação, podemos obter importantes economias de energia, principalmente em cenários de longas distâncias. Além disso, com códigos fontanais, o consumo de energia diminui significativamente em comparação com o caso sem códigos fontanais, permitindo até 40% de economia. Ensuring low energy consumption is a crucial issue in underwater communications, since battery replacement may be difficult and expensive in these scenarios. In this work we analyze the energy consumption of a multi-hop underwater acoustic network (UWAN) employing fountain codes, which provides an interesting feature to scenarios with long transmission delays, as is the case of UWANs. Thus, the proper optimization of the number of redundant packets as well as the possibility of retransmissions per hop in order to ensure reliability allows a global optimization of the network. Moreover, in order to reduce the energy consumption in this scenario we optimize the modulation order assuming differential phase-shift keying (M-DPSK), as well as the number of hops and transmission trials per hop. We investigate the required number of fountain-encoded packets for different modulation orders and number of hops. Our results show that, by allowing retransmissions and optimizing the number of hops and the modulation order, we can obtain important energy savings, especially for long distances. In addition, with fountain codes the energy consumption decreases significantly compared to the case without fountain codes, allowing up to 40% of savings.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Com a adoção generalizada de dispositivos de Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things), torna-se necessário o desenvolvimento de novas abordagens para ajudar a reduzir os efeitos de colisões no desempenho de redes baseadas na modulação LoRa, e, mais especificamente, em LoRaWAN. Tendo esse objetivo em vista, neste trabalho investiga-se o desempenho de um esquema fundamentado no conceito de cooperação e codificação de rede (NCC, do inglês Network Coded Cooperation) que se denomina NCC-LoRa. Nele, dispositivos trocam mensagens entre si em uma etapa dispositivo a dispositivo (D2D, do inglês Device to Device) por meio da modulação chaveamento de mudança de frequência (FSK, do inglês Frequency-Shift Keying) à alta taxa de transmissão de bits. Os dispositivos podem, então, auxiliar-se mutuamente para melhorar a confiabilidade da comunicação com a ponte de ligação (GW, do inglês GateWay) comum através da combinação linear em um campo finito das mensagens de cada parceiro de cooperação. Modela-se a probabilidade de sucesso na comunicação D2D a partir de duas componentes: a probabilidade de efetiva transmissão de dados, que computa falhas advindas da troca de dados, e a probabilidade de vizinhança, que depende de fatores associados à topologia da rede. Verifica-se, então, o desempenho da rede com o protocolo NCC-LoRa sob as métricas de alcance da rede e consumo médio de corrente elétrica por ciclo de transmissão. O resultados apontam que o esquema proposto pode fornecer ganhos consideráveis nesses quesitos quando comparado com uma típica transmissão LoRa e com um esquema baseado em retransmissão de pacotes. With the widespread adoption of Internet-of-Things (IoT) devices, new approaches to help countervene the effects of collisions in networks based on the LoRa modulation, and more specifically on LoRaWAN, are needed. With this objective in mind, this work investigates the performance of a scheme based on the concept of network coded cooperation (NCC) called NCC-LoRa. In it, devices exchange messages with each other in a Device to Device (D2D) fashion through Frequency Shift Keying (FSK) modulation under a high bit rate. The devices can then provide mutual assistance and improve communication reliability with the common GateWay (GW) by performing linear combinations over a finite field of the messages from each cooperating partner. The probability of success in the D2D communication is modeled from two components: the probability of effective data transmission, which computes failures arising from data exchange, and the neighborhood probability, which depends on factors associated with the network topology. Then, the performance of the network with NCC-LoRa is verified on the metrics of network range and average consumption of electric current per transmission cycle. The attained results show that the proposed scheme can provide considerable gains in these terms when compared to a typical LoRa transmission and to a scheme based on packet retransmission.

Neste trabalho, avalia-se a eficiência energética de um esquema cooperativo recentemente proposto com seleção de múltiplos relays, em um cenário com múltiplas fontes e apenas um Destino em comum. Por considerar que todos os nós e também o Destino são equipados com múltiplas antenas, compara-se a eficiência energética de uma rede operando sob dois esquemas de recepção, a combinação de seleção, do inglês Selection Combining (SC), e a combinação de razão máxima, do inglês Maximal Ratio Combining (MRC). A análise realizada, a qual engloba os consumos dos circuitos internos dos nós da rede, demonstra que o esquema MRC, o qual é ótimo a partir de uma perspectiva de confiabilidade, pode ser superado em termos de desempenho pela SC em relação à eficiência energética. Também é apresentada uma investigação sobre o número de relays que deve ser utilizado na otimização da Eficiência Energética, propõe-se uma melhoria no sistema com o intuito de aumentar a eficiência da rede, a seleção incremental de múltiplos relays (INC-MRS). Finalmente, os resultados numéricos são apresentados a fim de validar as análises matemáticas. In this work, we evaluate the energy efficiency of a recently proposed network-coded cooperative scheme with multiple relay selection, in a scenario with multiple sources and a single common destination. By considering that all the nodes and also the destination are equipped with multiple antennas, we compare the EE of the network when operating under two different combination techniques at the receiver side, namely selection combining (SC) and maximum ratio combining (MRC) techniques. Our analysis, which also encompasses the circuitry consumption of all the nodes in the network, shows that the MRC scheme, which is optimal from a reliability perspective, may be outperformed by the SC scheme when the EE is adopted as the performance metric. Based on insights about the number of relays that must be used to optimize EE, an improvement in the system is proposed in order to raise network energetic efficiency, the incremental multiple relay selection (INC-MRS). Finally, numerical results are presented in order to support all the mathematical analyses.

Orientador: Prof. Dr. André Augusto Mariano Coorientador: Prof. Dr. Glauber Gomes de Oliveira Brante Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 28/05/2021 Inclui referências: p. 74-84 Área de concentração: Sistemas Eletrônicos Resumo: Alta eficiˆencia energ'etica (EE) 'e crucial para aplicac¸ ˜oes da Internet das Coisas que operam remotamente, uma vez que os n'os sem fio s˜ao tipicamente alimentados por bateria. Diferentes t'ecnicas de diversidade espacial tais com o uso de m'ultiplas antenas (MIMO) nos n'os do transmissor e receptor, bem como o uso de comunicac¸ ˜ao cooperativa podem ser exploradas para melhorar a EE. Al'em disso, o uso de transceptores de r'adio frequˆencia (RF) reconfigur'aveis s˜ao considerados uma soluc¸ ˜ao interessante para sistemas com restric¸ ˜ao de energia, pois permitem alterar o seu ponto de funcionamento, bem como o seu consumo de potˆencia, adaptando-se aos diferentes requisitos de comunicac¸ ˜ao. Nessa tese, uma nova abordagem para economizar energia inclui no modelo do sistema de comunicac¸ ˜ao o uso de transceptores de RF reconfigur'aveis. Mais especificamente, os componentes envolvidos em nossa estrutura de otimizac¸ ˜ao de consumo de potˆencia s˜ao o amplificador de potˆencia (PA) no transmissor e o amplificador de baixo ru'?do (LNA) no receptor. Nosso objetivo 'e mostrar que os circuitos de RF baseados em operac¸ ˜oes mult'?modo podem melhorar significativamente a EE. Assim, realizamos uma selec¸ ˜ao conjunta dos melhores modos de operac¸ ˜ao para os circuitos do PA e do LNA para diferentes esquemas de transmiss˜ao em dois cen'arios de rede: i) comunicac¸ ˜ao n˜ao-cooperativa em que os n'os s˜ao equipados com m'ultiplas antenas, para a qual consideramos a selec¸ ˜ao de antenas (AS) e a decomposic¸ ˜ao por valores singulares (SVD); e ii) comunicac¸ ˜ao cooperativa em que os n'os s˜ao equipados com uma 'unica antena, para a qual consideramos decodificac¸ ˜ao incremental e encaminha (IDF) por rel'e. Em nosso primeiro cen'ario proposto, comparamos os circuitos reconfigur 'aveis do PA e do LNA com amplificadores de RF n˜ao-reconfigur'aveis do estado-da-arte dispon'?veis na literatura. Nesta comparac¸ ˜ao, ao explorar as caracter'?sticas dos amplificadores reconfigur'aveis de RF, mostramos uma melhora de EE de mais de 40% em distˆancias curtas para as comunicac¸ ˜oes MIMO. Ao comparar os esquemas MIMO, a t'ecnica AS apresenta melhor desempenho para distˆancias mais curtas, enquanto que o SVD permite transmiss˜oes mais longas, pois explora todas as antenas dispon'?veis. Al'em disso, a otimizac¸ ˜ao da eficiˆencia espectral contribui para aumentar ainda mais a EE. Por fim, investigamos o efeito do n'umero de antenas, em que a EE do AS sempre aumenta com o n'umero de antenas, enquanto que o SVD apresenta um n'umero 'otimo de antenas. Para o segundo cen'ario, propomos uma an'alise de EE para o esquema IDF, auxiliada por um canal de retorno para realizar a selec¸ ˜ao de rel'es. Al'em disso, comparamos o desempenho do IDF com os esquemas MIMO n˜ao-cooperativos. Os resultados mostram que uma melhor EE 'e obtida por meio de t'ecnicas de selec¸ ˜ao de antenas, principalmente quando aplicadas tanto no transmissor quanto no receptor. Tamb'em analisamos o impacto do rel'e na cooperac¸ ˜ao, uma vez que o n'o do rel'e opera apenas se necess'ario, a maior parte da carga de reconfigurabilidade 'e do rel'e, enquanto os modos de operac¸ ˜ao do PA e do LNA tendem a ser razoavelmente fixados nos n'os de origem e destino. Por fim, os resultados mostram que o n'umero de rel'es contribui para alcanc¸ar transmiss˜oes de longa distˆancia. Palavras-chave: Eficiˆencia Energ'etica, Transceptores de RF Reconfigur'aveis, Diversidade Espacial, M'ultiplas Antenas, Comunicac¸ ˜oes Cooperativas. Abstract: High energy efficiency (EE) is crucial for Internet of Things applications that operate remotely, since wireless nodes are typically battery-powered. Different spatial diversity techniques such as the use of multiple antennas (MIMO) at the transmitter and receiver nodes, as well as the use of cooperative communication can be exploited to improve the EE. In addition, the use of radio frequency (RF) transceivers are considered an interesting solution for powerrestricted systems, as they allow changing their operating point, as well as their power consumption, adapting to different communication requirements. In this thesis, a novel energy-saving approach includes in the communication system model the use of reconfigurable RF transceivers. More specifically, the components involved in our power consumption optimization framework are the power amplifier (PA) at the transmitter and the low noise amplifier (LNA) at the receiver. Our goal is to show that RF circuits based on multimode operation can significantly improve the EE. Thus, we perform a joint selection of the best operating modes for the PA and LNA circuits for different transmission schemes in two network scenarios: i) non-cooperative communication where the nodes are equipped with multiple antennas, for which we consider antenna selection (AS) and singular value decomposition (SVD) beamforming; and ii) cooperative communication where the nodes are equipped with single antenna, for which we consider incremental decode and forward (IDF) relaying. In our first proposed scenario, we compare the reconfigurable PA and LNA circuits with state-of-the-art non-reconfigurable RF amplifiers available in the literature. In this comparison, by exploiting the characteristics of reconfigurable RF amplifiers, we show an EE improvement of more than 40% at short distances for MIMO communications. When comparing MIMO schemes, the AS technique performs better for shorter distances, while the SVD allows for longer transmissions, as it exploits all available antennas. In addition, the optimization of the spectral efficiency contributes to further increase the EE. Finally, we investigate the effect of the number of antennas, in which the EE of AS always increases with the number of antennas, while SVD presents an optimal number of antennas. For the second scenario, we propose an EE analysis for the IDF scheme, aided by a feedback channel to perform relay selection. In addition, we compare the performance of the IDF with non-cooperative MIMO schemes. The results show that a better EE is obtained through antenna selection techniques, especially when applied at both transmitter and receiver. We also analyze the impact of the relay on cooperation, as the relay node operates only if necessary, most of the reconfigurability charge ends up at the relay, whereas the PA and LNA operating modes tend to be reasonably fixed at the source and destination nodes. Finally, results show that the number of relays contributes to achieving long distance transmissions. Keywords: Energy Efficiency, Reconfigurable RF Transceivers, Spatial Diversity, Multiple Antennas, Cooperative Communications.

Esta dissertação de mestrado apresenta a análise feita sobre o impacto da interferência gerada por uma rede LoRaWAN coexistindo no mesmo ambiente que uma rede IEEE 802.15.4g de interesse. As simulações comparam o modo de múltiplos saltos, restrito ao dual-hop nessa análise, com um algoritmo cooperativo, ambos utilizando seleção de relays. Pretende-se avaliar o desempenho desses protocolos, de maneira que seja possível transmitir uma grande quantidade de informações durante o tempo de vida útil da rede, sem prejudicar a taxa de comunicação e, dessa forma, dimensionar a rede para consumir o mínimo de recursos necessários. Além disso, foram explorados cenários com diferentes configurações para determinar os impactos causados pela interferência de acordo com a característica de cada rede. Os resultados mostram que a modificação do protocolo de comunicação IEEE 802.15.4g visando suportar cooperação, especialmente em ambientes que sofrem interferências de outras redes, chega a transmitir de 4 a 20 vezes mais informação, para os parâmetros de rede aqui considerados, quando comparado com o método tradicional usando o modo dual-hop. Isso também permite que seja possível distribuir uma quantidade pelo menos 150 vezes menor de nós cooperativos para atingir o mesmo objetivo de quantidade de informação, o que implica em menos investimento em hardware. This master’s thesis presents the analysis made on the impact of the interference generated by a LoRaWAN network coexisting in the same environment of an IEEE 802.15.4g network of interest. This work analyses the impact of the interference generated by a LoRaWAN network coexisting in the same environment of an IEEE 802.15.4g network of interest. The simulations compare the multi-hop mode, restricted to dual-hop in this analysis, with a cooperative algorithm, both using relay selection. It is intended to evaluate the performance of these protocols, só that it is possible to transmit a large amount of information during the lifetime of the network, without impairing the communication rate and, thus, dimensioning the network to consume the minimum of necessary resources. The results show that the modification of the IEEE 802.15.4g communication protocol in order to support cooperation, especially in environments that are affected by interference from other networks, transmits from 4 to 20 times more information, with the system parameters here considered, when comparing to the traditional method using the dual-hop mode. This also allows it to be possible to distribute at least 150 times fewer cooperative nodes to achieve the same amount of information objective, which means less hardware investment.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Para suprir as exigências de seus usuários, as redes celulares 5G devem ser altamente eficientes, tornando a eficiência energética um dos desafios e objetivos primários dos cenários de comunicações modernos. Além disso, o aumento no número de dispositivos e requisitos dos usuários dessas redes podem tornar as soluções analíticas aplicadas no contexto da eficiência energética e otimização de parâmetros da comunicação não factíveis, dada a complexidade atrelada à essas soluções. Para superar esse problema, soluções mais robustas e flexíveis, que exploram os dados gerados pela rede e tornam decisões em tempo real são as exigidas por essas redes futuras. Nesse contexto, a utilização de técnicas de Aprendizado de Máquina, capazes de analisar uma enorme quantidade de dados e aprender com eles, é uma possível solução, podendo ser aplicadas, por exemplo, em diferentes contextos de redes auto-organizáveis. O objetivo da presente dissertação é analisar uma aplicação de otimização do posicionamento de VANTs, Veículos Aéreos Não Tripulados, em um cenário de eventos temporários baseando-se em um algoritmo Q-learning, uma técnica de aprendizado por reforço, na qual os agentes das soluções propostas aprendem a agir para maximizar uma determinada recompensa. Duas diferentes recompensas são propostas e comparadas, com a primeira visando apenas minimizar o número de usuários em indisponibilidade e a segunda buscando maximizar a eficiência energética, considerando a quantidade de energia usada para a movimentação VANTs. A solução Q-learning é responsável por determinar o melhor posicionamento no espaço tridimensional e a potência de transmissão ideal, dados alguns níveis de potência possíveis. Os resultados obtidos mostram que a otimização da potência de transmissão implementada reduziu a probabilidade de indisponibilidade dos usuários da rede, uma vez que a interferência entre os VANTs foi minimizada a partir da alocação da potência adequada e, além disso, é mostrado que a introdução de um fator de desconto na recompensa do algoritmo relacionado ao gasto de energia para as movimentações VANTs foi capaz de aumentar consideravelmente a eficiência energética da rede, com uma penalidade no desempenho em relação à cobertura de usuários. Finalmente, para as duas soluções consideradas e de acordo os seus respectivos objetivos, a técnica Q-learning, a partir da sua capacidade de aprender com a iteração com um ambiente e de experiências anteriores, mostrou-se capaz de resolver o problema de auto-organização da rede baseada em VANTs de uma maneira eficiente, apresentando-se como uma solução promissora para as futuras redes celulares. To meet users demands, 5G cellular networks require high operational efficiency, making energy efficiency one of the primary challenges and objectives of modern communication systems. In addition, the increase in the number of devices and user requirements in these networks may turn analytical solutions applied in the context of energy efficiency and optimization of communication parameters not feasible, given the complexity associated to these solutions. To overcome this problem, more robust and flexible solutions that exploit the data generated by the network and make real-time decisions are required by these future networks. In this context, the use of Machine Learning techniques, capable of analyzing a big amount of data and learning from it, is a possible solution and can be applied, for example, in different self-organizing network contexts. The aim of this work is to analyze a positioning optimization application of UAVs, Unmanned Aerial Vehicles, in a scenario of temporary events based on a Q-learning algorithm, a reinforcement learning technique in which the agents learn to act to maximize a given reward. Two different rewards are proposed and compared, with the first aiming only to minimize the number of users in outage and the second provided to maximize energy efficiency by considering the amount of energy used for UAVs movements. The Q-learning solution is responsible for determining the best three-dimensional positioning and optimal transmit power given some possible power levels. The results show that the optimization of the transmission power reduced the percentage of users in outage, since interference between UAVs was minimized by allocating adequate power. Furthermore, it is shown that the introduction of a discount factor in the algorithm reward for UAV movements has been able to considerably increase the energy efficiency of the network, with a performance penalty over the user coverage. Finally, for the two solutions considered and in accordance with their respective objectives, the Q-learning technique, based on its ability to learn from iteration with an environment and from previous experiences, proved to be able to solve the problem of self-organization of the UAV-based network in an efficient manner, presenting itself as a promising solution for future cellular networks.

Esquemas utilizando a técnica Multi-User MIMO adicionados aos padrões 802.11ac/ax podem atingir altas taxas por meio de técnicas de beamforming, que permitem a transmissão de streams de dados para múltiplos usuários de forma simultânea. Porém isso requer o conhecimento do canal do usuário (CSI), que é um processo complexo de ser obtido na prática. Alternativamente, o access point pode balancear a taxa estimada com o overhead para processamento da CSI, escolhendo um número de antenas de transmissão e recepção apropriado, assim como o número de usuários de acordo com o canal do cliente e sua fila de pacotes. O presente trabalho propõe a aplicação de um algoritmo de seleção de usuário baseado nas propriedades da teoria MU-MIMO e a SNR omnidirecional do usuário chamado PUMA (Pre-sounding User and Mode selection Algorithm), e sua aplicação em um cenário de diversidade. A taxa do esquema proposto com métodos tradicionais de seleção fixa e busca exaustiva e os efeitos equivalentes na eficiência energética são comparados. Os resultados apresentam que as vantagens do PUMA são ampliadas em um cenário de diversidade, onde o agrupamento de usuários causa mudanças drásticas na taxa. Ainda, utilizando diferentes esquemas de diversidade na mesma configuração de rede, diferentes taxas e consumo são obtidos. Apesar de o esquema MRC consumir mais energia durante a recepção do frame, é o modelo mais eficiente de diversidade na recepção, principalmente pelo ganho de SNR. Multi-User (MU) MIMO schemes introduced to IEEE 802.11ac/ax amendments can achieve high throughput by means of beamforming techniques, which enables transmission of different data streams to multiple users simultaneously. However, it requires the user Channel State Information (CSI), which is not trivial to obtain in practice. Alternatively, the access point can balance the expected rate with the CSI processing overhead by choosing an appropriate number of transmitting and receiving antennas, as well as the number of users according to client channel and backlog. We propose the application of a user selection algorithm based on MU-MIMO theoretical properties and user omnidirectional SNR named PUMA (Pre-sounding User and Mode selection Algorithm), and its application on a diversity scenario. The data rate of the proposed scheme with traditional fixed-mode and exaustive search user selection and the equivalent effects on energy efficiency are compared. Results show that the PUMA advantages are enhanced in a diversity scenario when client grouping causes dramatic changes in the sum rate. In addition, by using different diversity schemes on the same WLAN configuration, different rates and consumption are obtained. Despite MRC consuming more energy during frame reception, it is the most energy-efficient receive diversity scheme, mainly because of SNR improvement.