Nesta dissertação são abordados sistemas de comunicação de acesso múltiplo, isto é, sistemas consistindo de um único receptor e de mais de um transmissor. Em particular, é dada ênfase ao caso em que dois usuários binários transmitem em um canal aditivo, para um único receptor. Foram construídos vários códigos lineares para este modelo de canal a partir da implementação de um algoritmo proposto na literatura, porém até então não implementado. Este algoritmo fornece, para um dado código linear de um dos usuários, o código (nãolinear) de máxima cardinalidade para o outro usuário, especificando o seu dicionário. Para a classe de códigos lineares fortemente ortogonais foi obtida uma expressão analítica para o número total de palavras-código, a partir da decomposição do código original numa seqüência equivalente finita de códigos de repetição concatenados. O conceito de códigos fortemente ortogonais balanceados foi introduzido, e foi verificado através de busca exaustiva para diversos valores dos parâmetros, que estes códigos possuem a mais alta taxa de transmissão atingível com este tipo de construção
Nesta dissertação são abordados sistemas de comunicação de acesso múltiplo, isto é, sistemas consistindo de um único receptor e de mais de um transmissor. Em particular, é dada ênfase ao caso em que dois usuários binários transmitem em um canal aditivo, para um único receptor. Foram construídos vários códigos lineares para este modelo de canal a partir da implementação de um algoritmo proposto na literatura, porém até então não implementado. Este algoritmo fornece, para um dado código linear de um dos usuários, o código (nãolinear) de máxima cardinalidade para o outro usuário, especificando o seu dicionário. Para a classe de códigos lineares fortemente ortogonais foi obtida uma expressão analítica para o número total de palavras-código, a partir da decomposição do código original numa seqüência equivalente finita de códigos de repetição concatenados. O conceito de códigos fortemente ortogonais balanceados foi introduzido, e foi verificado através de busca exaustiva para diversos valores dos parâmetros, que estes códigos possuem a mais alta taxa de transmissão atingível com este tipo de construção
[pt] A superioridade de desempenho dos algoritmos quânticos, em alguns problemas específicos, reside no uso direto de fenômenos da mecânica quântica para realizar operações com dados em computadores quânticos. Esta característica fez surgir uma nova abordagem, denominada Computação com Inspiração Quântica, cujo objetivo é criar algoritmos clássicos (executados em computadores clássicos) que tirem proveito de princípios da mecânica quântica para melhorar seu desempenho. Neste sentido, alguns algoritmos evolutivos com inspiração quântica tem sido propostos e aplicados com sucesso em problemas de otimização combinatória e numérica, apresentando desempenho superior àquele dos algoritmos evolutivos convencionais, quanto à melhoria da qualidade das soluções e à redução do número de avaliações necessárias para alcançá-las. Até o presente momento, no entanto, este novo paradigma de inspiração quântica ainda não havia sido aplicado à Programação Genética (PG), uma classe de algoritmos evolutivos que visa à síntese automática de programas de computador. Esta tese propõe, desenvolve e testa um novo modelo de algoritmo evolutivo com inspiração quântica, denominado Programação Genética Linear com Inspiração Quântica (PGLIQ), para a evolução de programas em código de máquina. A Programação Genética Linear é assim denominada porque cada um dos seus indivíduos é representado por uma lista de instruções (estruturas lineares), as quais são executadas sequencialmente. As contribuições deste trabalho são o estudo e a formulação inédita do uso do paradigma da inspiração quântica na síntese evolutiva de programas de computador. Uma das motivações para a opção pela evolução de programas em código de máquina é que esta é a abordagem de PG que, por oferecer a maior velocidade de execução, viabiliza experimentos em larga escala. O modelo proposto é inspirado em sistemas quânticos multiníveis e utiliza o qudit como unidade básica de informação quântica, o qual representa a superposição dos estados de um sistema deste tipo. O funcionamento do modelo se baseia em indivíduos quânticos, que representam a superposição de todos os programas do espaço de busca, cuja observação gera indivíduos clássicos e os programas (soluções). Nos testes são utilizados problemas de regressão simbólica e de classificação binária para se avaliar o desempenho da PGLIQ e compará-lo com o do modelo AIMGP (Automatic Induction of Machine Code by Genetic Programming), considerado atualmente o modelo de PG mais eficiente na evolução de código de máquina, conforme citado em inúmeras referências bibliográficas na área. Os resultados mostram que a Programação Genética Linear com Inspiração Quântica (PGLIQ) apresenta desempenho geral superior nestas classes de problemas, ao encontrar melhores soluções (menores erros) a partir de um número menor de avaliações, com a vantagem adicional de utilizar um número menor de parâmetros e operadores que o modelo de referência. Nos testes comparativos, o modelo mostra desempenho médio superior ao do modelo de referência para todos os estudos de caso, obtendo erros de 3 a 31% menores nos problemas de regressão simbólica, e de 36 a 39% nos problemas de classificação binária. Esta pesquisa conclui que o paradigma da inspiração quântica pode ser uma abordagem competitiva para se evoluir programas eficientemente, encorajando o aprimoramento e a extensão do modelo aqui apresentado, assim como a criação de outros modelos de programação genética com inspiração quântica.
Nas últimas décadas as comunicações sem fios tiveram um crescimento enorme. Hoje em dia, a maioria das tarefas diárias necessitam da utilização de um dispositivo que recorra a uma comunicação sem fios. Por isso, criou-se uma necessidade de aumentar a segurança nestas comunicações. Recentemente, as técnicas de segurança na camada física têm gerado interesse, pois, permitem complementar, através de uma abordagem diferente, os protocolos de segurança já existente em outras camadas lógicas. Nesta dissertação foi implementado, um método de segurança na camada física num sistema Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Este método utiliza as características do canal para codificar e descodificar a mensagem transmitida, tendo por base o princípio da reciprocidade do canal que permite obter uma fonte de informação aleatória comum entre transmissor e recetor legítimo. As estimações de canal feitas são utilizadas para criar sinais de interferência que irão mudar a fase dos símbolos modulados e, consequentemente, proteger a mensagem transmitida. O sistema OFDM com o método de segurança foi desenvolvido utilizando a framework GNU Radio. Além disso, cada módulo constituinte do sistema pode ser utilizado com plataformas de rádio definido por software (SDR) para testes em ambiente real. Os testes realizados foram feitos considerando um cenário baseado no canal wiretap onde existem dois utilizadores legítimos (Alice e Bob) e um ilegítimo (Eve); no modelo original a Alice envia uma mensagem para o Bob enquanto a Eve tenta intercetá-la, além disso é assumido que as condições de transmissão do Bob são mais vantajosas do que as da Eve. As simulações realizadas consideraram diferentes condições de canal de forma a determinar os efeitos no desempenho do sistema. Além disso, foi realizada uma experiência em condições reais com SDR para validar a implementação. Os resultados obtidos, constituem evidência que o método usado pode aumentar a segurança mesmo quando o canal ilegítimo tem boas condições, embora, alguma fiabilidade seja comprometida. Isto pode ser importante nas futuras redes de dispositivos de baixa complexidade, como na Internet das coisas, onde é difícil a implementação de técnicas complexas de encriptação, e como os métodos de segurança na camada física podem ter um papel importante.
Códigos baseados em matrizes esparsas têm desempenhado um importante papel em teoria da codificação. Os códigos low-density parity-check (LDPC) constituem uma famosa família de códigos definidos a partir de matrizes de verificação de paridade esparsas que apresentam desempenhos excelentes no canal com ruído aditivo Gaussiano branco (RAGB). O sucesso desses códigos se deve a sua representação através de grafos, que permite a operação de um algoritmo de decodificação iterativo cuja complexidade cresce linearmente com o comprimento dos blocos. Esta dissertação apresenta um estudo sobre códigos LDPC e sua principal ferramenta de análise, a density evolution. Para isso, a representação gráfica de códigos de bloco lineares e o funcionamento do algoritmo de decodificação Soma-Produto são apresentados. Algumas técnicas de projeto de códigos LDPC são discutidas e seu desempenho no canal RAGB é avaliado por meio de simulações. Baseando-se nestas ferramentas, a density evolution para os canal RAGB é derivada em forma integral e em forma aproximada. Por fim, uma modificação no algoritmo Soma-Produto é proposta para decodificação de códigos LDPC no canal Gilbert-Elliott
Computação quântica é uma área de grande desenvolvimento hoje em dia e isso traz uma necessidade para desenvolver hardware e software. Uma vez que o hardware disponível é muito pouco e o software precisa de ser testado, existe uma necessidade de uma boa plataforma para testar as soluções de software. Simular um computador quântico num computador clássico não é ideal, contudo é uma resposta viável a esta necessidade, para um pequeno número de qubits. Além disso, os computadores quânticos necessitam dos computadores clássicos de forma a criar um sistema real prático, isto apresenta-se como uma excelente oportunidade para testar técnicas de programação clássica para melhorar a programação quântica. Esta tese propõe o uso de programação clássica para melhorar a implementação de um algoritmo de adição modular usando transformadas de Fourier quânticas. Os principais objectivos deste trabalho são: simular um circuito quântico; testar um algoritmo quântico e compará-lo com o seu equivalente clássico; implementar o algoritmo de adição modular, usando as capacidades de aceleração de computação das transformadas de Fourier quânticas e optimizá-lo; Testar e implementar códigos quânticos de correcção de erros; fazer um teste num computador quântico real.De forma a testar a linguagem e comparar um algoritmo quântico com um clássico, fez-se um teste ao algoritmo de Shor que está disponível de raiz na plataforma liquid. Apesar do algoritmo de Shor ter, teoricamente, uma dependência de tipo polinomial com a dimensão do problema, os testes realizados mostraram que o tempo de computação tem um comportamento exponencial. Simular um algoritmo quântico num computador clássico requer tempo de computação que cresce de forma exponencial, pois é necessário armazenar e processar todos os estados do sistema, que é um espaço de Hilbert de dimensão 2^n.O algoritmo de adição modular usando transformadas de Fourier quânticas foi implementado na plataforma liquid. Seguidamente fizeram-se melhorias e optimizações. O número de operações teórico é O(n^2). Contudo, depois de fazer melhorias ao circuito, removendo gates desnecessárias para casos específicos, o número de operações passa a ter um valor mínimo de Omega(n). Com este tipo de alterações o sistema pode apresentar melhorias no que respeito ao tempo de simulação até um factor de ordem 10. Isto mostra que programar um algoritmo quântico tendo em conta casos específicos pode melhorar imenso o desempenho da simulação.Os códigos de correção de erros quânticos foram implementados num circuito simples, com as ferramentas disponíveis na plataforma liquid, e obteve-se um sistema que consegue lidar com erros com probabilidade inferior ou igual a 2%, com uma taxa de sucesso na sua correção de 95%. Contudo são necessários circuitos muito grandes, pouco exequíveis.A plataforma disponibilizada pela IBM para fazer testes num computador quântico real, foi utilizada para testar o algoritmo de adição modular e adição normal (com carry bit). Uma vez que esta plataforma tem um número limitado de gates, reforça a ideia de que se deve otimizar os algoritmos tendo em conta casos particulares. Os resultados destes testes mostram também que é importante utilizar correcção de erros quânticos, mas para que isso seja viável é necessário que haja mais qubits disponíveis ou outro tipo de códigos.
Os últimos anos trouxeram um crescimento das comunicações sem fios, o que se refletiu numa maior preocupação com a segurança dos dados transmitidos entre dispositivos. Apesar da criptografia providenciar níveis satisfatórios de segurança, não é inquebrável, pelo que não se consegue garantir que não haja alguma fuga de informação. Nesse sentido, têm sido desenvolvidos métodos de introduzir segurança também na camada física, como complemento à segurança já existente.Recentemente, foi proposto um esquema que recorre a uma chave aleatória de interleaving, que é usada para baralhar a mensagem a transmitir, e que é, posteriormente, anexada à mesma, sendo ativado um jammer durante a transmissão dos bits correspondentes à chave gerada, de forma a criar uma vantagem em relação a um possível eavesdropper. Paralelamente a este, foi desenvolvido um esquema idêntico, mas em que os bits correspondentes à chave são apagados depois da mensagem ser codificada. Este último esquema parte do pressuposto da existência de uma vantagem do recetor legítimo face a um possível eavesdropper, expressa em termos de uma melhor relação sinal-ruído (por exemplo, a transmissão entre os intervenientes legítimos é realizada dentro de uma sala, garantindo que não existe um eavesdropper dentro da mesma), permitindo ao recetor legítimo a recuperação correta da chave, o que não é possível em situações de comunicação mais degradadas. Nesta dissertação é realizada a prova de conceito com a implementação em ambiente real de ambos os métodos em plataformas de rádio definido por software (SDR – Software Defined Radio), programadas com recurso ao MATLAB/Simulink. São, também, apresentados cenários de teste adequados, onde foram realizadas experiências que mostram a existência de um acréscimo de segurança introduzido por estes esquemas num cenário real. No decorrer da implementação, foi, ainda, proposta uma variação a ambos os esquemas, substituindo o interleaver por um scrambler, tendo sido obtidos resultados significativamente melhores. Nesta dissertação, são também descritos os problemas e dificuldades inerentes à implementação prática e teste de um sistema de comunicação genérico em plataformas SDR. Em concreto, e a título de exemplo, é proposto e foi implementado um processo de automatização dos testes, assente em comunicação sobre UDP, que permite a sincronização de vários SDRs (que modelam os sistemas transmissores e recetores), que pode ser aplicado a outros modelos de Simulink que representem um canal de escuta.Com estes resultados, mostra-se que os esquemas propostos cumprem os requisitos de garantir uma transmissão segura e fidedigna, podendo vir a ser um importante complemento à segurança das comunicações, principalmente em dispositivos móveis, como telemóveis (onde a segurança baseada em proximidade está a ganhar força) ou dispositivos da Internet das Coisas de baixo consumo, onde pode não ser possível utilizar os métodos da criptografia.
A criptografia quântica é um espaço em constante desenvolvimento no qual a capacidade do hardware é um fator extremamente limitativo. Com vista a melhorar da segurança, distância e velocidade de comunicação, é necessário implementar novos componentes para aprimorar os sistemas reais e capacitá-los para replicação de sistemas teóricos. Esta dissertação foca-se na caracterização de um controlador de polarização eletro-ótico, para posterior implementação num transmissor de um sistema de distribuição de chaves quânticas com codificação na polarização de fotões únicos. Primeiramente, foi feita uma modelação matemática do componente para ser possível caracterizá-lo, atribuindo valores numéricos às variáveis do modelo. Foi ainda apresentado um método de caracterização adaptado da proposta da empresa EOSPACE, baseado em automação em Matlab e controlo remoto de controladores lógicos programáveis. O método foi empregue com o objetivo de estabelecer um padrão de valores que permitissem calibrar o dispositivo aquando o uso num sistema de transmissão. Foram obtidos valores para três testes diferentes, sendo feita uma comparação com os valores da datasheet do dispositivo e com dados teóricos. Os resultados pouco satisfatórios, suportam as críticas feitas ao método que requer hardware e software capaz de uma análise e controlo em tempo real. O longo período de tempo requerido para o processo, conjugado às condições limitativas, levam à conclusão que devem ser procurados outras técnicas com menos restrições e mais simplicidade de hardware que melhorem a qualidade dos resultados e minimizem o tempo despendido num processo de calibração.