Serious Game Engineering and Lighting Models for the Realistic Emulation of 5G Systems

[ES] La quinta generación de comunicaciones móviles, 5G, promete ser una revolución tecnológica que vaya más allá de multiplicar la velocidad de transmisión de datos de sus predecesoras. Pretende soportar una gran cantidad de dispositivos y alcanzar latencias muy cercanas a 1 milisegundo. Para satisfacer estos ambiciosos requisitos, se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras. Una de ellas es el uso de las bandas de ondas milimétricas (mmW) en las cuales hay una gran cantidad de espectro disponible. Para predecir las características del canal radio y evaluar las prestaciones de la 5G de forma fiable en las bandas mmW se requieren modelos de canal complejos. Concretamente, los modelos de propagación más precisos son los basados en trazado de rayos, pero su alto costo computacional los hacen inviables para la caracterización del canal radio en escenarios complejos. Por otro lado, en los últimos años, la tecnología de videojuegos ha desarrollado potentes herramientas para modelar la propagación de la luz en escenarios superrealistas. Dada la cercanía espectral entre el espectro visible y las ondas mmW, la presente Tesis ha estudiado la aplicación de las herramientas de modelado de propagación de la luz de los motores de juego para el modelado del canal radio en mmW. Esta Tesis propone un modelo de estimación de las pérdidas de propagación en mmW llamado "Modelo de Intensidad de Luz'' (LIM). Usando este modelo, basado en los procesos de iluminación realizados por los motores de juego, los transmisores de señal se sustituyen por focos de luz y la intensidad lumínica recibida en un punto se traduce a potencia de señal en milimétricas a través de una función polinómica sencilla. Una de las ventajas de usar los motores de juego es su gran capacidad y la facilidad que tiene el usuario para crear escenarios superrealistas que representen fielmente la geometría de escenarios donde se quiera evaluar el canal radio. De esta forma se pueden obtener estimaciones precisas de las pérdidas de propagación. La estimación de las pérdidas de propagación con LIM ha sido comparada con campañas de medida en las bandas de 28 GHz y 73 GHz y con otros modelos de propagación. Como resultado, el error de estimación de LIM es menor que los modelos estocásticos actuales y es comparable con el modelo de trazado de rayos. Y, además, el coste computacional de LIM comparado con el trazado de rayos es 130 veces menor, lo que posibilita el uso de LIM en escenarios altamente complejos para la estimación del canal radio en tiempo real. Los motores de juego permiten caracterizar de forma diferente la interacción de los materiales con la luz configurando el mapa de normales de sus superficies y sus funciones de dispersión y reflexión. En esta Tesis se ha determinado la caracterización de varios materiales que mejor se ajusta a medidas de laboratorio realizadas en un escenario controlado en la banda de 28 GHz. El modelo de LIM empleando materiales con esta caracterización óptima reduce más de un 50\% su error de estimación con respecto a la aplicación de LIM con los materiales por defecto, mientras que su coste computacional sigue siendo 26 veces menor que el modelo de trazado de rayos. Finalmente, se ha desarrollado sobre un motor de juego una primera versión de plataforma para la emulación de los sistemas 5G que es el punto de partida para un emulador completo de 5G. Esta plataforma no sólo contiene el modelo de LIM sino que incluye varios casos de uso de la 5G en entornos superrealistas. La plataforma, que se basa en el concepto de "Serious Game Engineering", rompe las limitaciones de los simuladores de redes móviles en cuanto a las capacidades de visualización e interacción del usuario con los componentes de la red en tiempo real.[CA] La cinquena generació de comunicacions mòbils, 5G, promet ser una revolució tecnològica que vaja més enllà de multiplicar la velocitat de transmissió de dades de les seues predecessores. Pretén suportar una gran quantitat de dispositius i aconseguir latències molt pròximes a 1 mil·lisegon. Per a satisfer aquests ambiciosos requisits, s'han investigat noves tecnologies habilitadores. Una d'elles és l'ús de les bandes d'ones mil·limètriques (mmW) en les quals hi ha una gran quantitat d'espectre disponible. Per a predir les característiques del canal ràdio i avaluar les prestacions de la 5G de forma fiable en les bandes mmW es requereixen models de canal complexos. Concretament, els models de propagació més precisos són els basats en traçat de rajos, però el seu alt cost computacional els fan inviables per a la caracterització del canal ràdio en escenaris complexos. D'altra banda, en els últims anys, la tecnologia de videojocs ha desenvolupat potents eines per a modelar la propagació de la llum en escenaris superrealistes. Donada la proximitat espectral entre l'espectre visible i les ones mmW, la present Tesi ha estudiat l'aplicació de les eines de modelatge de propagació de la llum dels motors de joc per al modelatge del canal radie en mmW. Aquesta Tesi proposa un model d'estimació de les pèrdues de propagació en mmW anomenat "Model d'Intensitat de Llum'' (LIM). Usant aquest model, basat en els processos d'il·luminació realitzats pels motors de joc, els transmissors de senyal se substitueixen per focus de llum i la intensitat lumínica rebuda en un punt es tradueix a potència de senyal en mil·limètriques a través d'una funció polinòmica senzilla. Una dels avantatges d'usar els motors de joc és la seua gran capacitat i la facilitat que té l'usuari per a crear escenaris superrealistes que representen fidelment la geometria d'escenaris on es vulga avaluar el canal ràdio. D'aquesta forma es poden obtindre estimacions precises de les pèrdues de propagació. L'estimació de les pèrdues de propagació amb LIM ha sigut comparada amb campanyes de mesura en les bandes de 28~GHz i 73~GHz i amb altres models de propagació. Com a resultat, l'error d'estimació de LIM és menor que els models estocàstics actuals i és comparable amb el model de traçat de rajos. I, a més, el cost computacional de LIM comparat amb el traçat de rajos és 130 vegades menor, la qual cosa possibilita l'ús de LIM en escenaris altament complexos per a l'estimació del canal ràdio en temps real. Els motors de joc permeten caracteritzar de forma diferent la interacció dels materials amb la llum configurant el mapa de normals de les seues superfícies i les seues funcions de dispersió i reflexió. En aquesta Tesi s'ha determinat la caracterització de diversos materials que s'ajusta millor a mesures de laboratori realitzades en un escenari controlat en la banda de 28 GHz. El model de LIM emprant materials amb aquesta caracterització òptima redueix més d'un 50 % el seu error d'estimació respecte a l'aplicació de LIM amb els materials per defecte, mentre que el seu cost computacional continua sent 26 vegades menor que el model de traçat de rajos. Finalment, s'ha desenvolupat sobre un motor de joc una primera versió de plataforma per a l'emulació dels sistemes 5G que és el punt de partida per a un emulador complet de 5G. Aquesta plataforma no solament conté el model de LIM sinó que inclou diversos casos d'ús de la 5G en entorns superrealistes. La plataforma, que es basa en el concepte de "Serious Game Engineering", trenca les limitacions dels simuladors de xarxes mòbils quant a les capacitats de visualització i interacció de l'usuari amb els components de la xarxa en temps real.[EN] The fifth generation of mobile communications, 5G, promises to be a technological revolution that goes beyond multiplying the data transmission speed of its predecessors. It aims to support a large number of devices and reach latencies very close to 1 millisecond. To meet these ambitious requirements, new enabling technologies have been researched. One of these is the use of millimetre-wave bands (mmW) in which a large amount of spectrum is available. Complex channel models are required to predict radio channel characteristics and reliably evaluate 5G performance in the mmW bands. Specifically, the most accurate propagation models are those based on ray tracing, but their high computational cost makes them unfeasible for radio channel characterization in complex scenarios. On the other hand, in recent years, video game technology has developed powerful tools to model the propagation of light in super realistic scenarios. Given the spectral closeness between the visible spectrum and the mmW waves, the present Thesis has studied the application of light propagation modeling tools from game engines for radio channel modeling in mmW. This Thesis proposes a model for estimating propagation losses in mmW called "Light Intensity Model'' (LIM). Using this model, based on the lighting processes performed by the game engines, the signal transmitters are replaced by light sources and the light intensity received at a point is translated into signal strength in mmW through a simple polynomial function. One of the advantages of using the game engines is their great capacity and the ease with which the user can create super realistic scenarios that faithfully represent the geometry of scenarios where the radio channel is to be evaluated. In this way, accurate estimates of propagation losses can be obtained. The estimation of propagation losses with LIM has been compared with measurement campaigns in the 28 GHz and 73 GHz bands and with other propagation models. As a result, the LIM estimation error is smaller than the current stochastic models and is comparable with the ray tracing model. In addition, the computational cost of LIM compared to ray tracing is 130 times lower, allowing the use of LIM in highly complex scenarios for real-time radio channel estimation. The game engines allow to characterize in a different way the interaction of the materials with the light configuring the normal map of their surfaces and their scattering and reflection functions. In this Thesis it has been determined the characterization of several materials that best fits to laboratory measurements made in a controlled scenario in the 28 GHz band. The LIM model using materials with this optimal characterization reduces by more than 50% its estimation error with respect to the application of LIM with default materials, while its computational cost remains 26 times lower than the ray tracing model. Finally, a first version of a platform for the emulation of 5G systems has been developed on a game engine, which is the starting point for a complete 5G emulator. This platform not only contains the LIM model but also includes several 5G use cases in super realistic environments. The platform, which is based on the concept of "`Serious Game Engineering", breaks the limitations of mobile network simulators in terms of visualization capabilities and user interaction with network components in real time.Inca Sánchez, SA. (2019). Serious Game Engineering and Lighting Models for the Realistic Emulation of 5G Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/132695TESI

Mobile 5G millimeter-wave multi-antenna systems

In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of Universitat Politècnica de Catalunya's products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink.Tesi en modalitat de compendi de publicacionsMassive antenna architectures and millimeter-wave bands appear on the horizon as the enabling technologies of future broadband wireless links, promising unprecedented spectral efficiency and data rates. In the recently launched fifth generation of mobile communications, millimetric bands are already introduced but their widespread deployment still presents several feasibility issues. In particular, high-mobility environments represent the most challenging scenario when dealing with directive patterns, which are essential for the adequate reception of signals at those bands. Vehicular communications are expected to exploit the full potential of future generations due to the massive number of connected users and stringent requirements in terms of reliability, latency, and throughput while moving at high speeds. This thesis proposes two solutions to completely take advantage of multi-antenna systems in those cases: beamwidth adaptation of cellular stations when tracking vehicular users based on positioning and Doppler information and a tailored radiation diagram from a panel-based system of antennas mounted on the vehicle. Apart from cellular base stations and vehicles, a third entity that cannot be forgotten in future mobile communications are pedestrians. Past generations were developed around the figure of human users and, now, they must still be able to seamlessly connect with any other user of the network and exploit the new capabilities promised by 5G. The use of millimeter-waves is already been considered by handset manufacturers but the impact of the user (and the interaction with the phone) is drastically changed. The last part of this thesis is devoted to the study of human user dynamics and how they influence the achievable coverage with different distributed antenna systems on the phone.Les arquitectures massives d'antenes i les bandes mil·limètriques apareixen a l'horitzó com les tecnologies que impulsaran els futurs enllaços sense fils amb gran ample de banda i prometen una eficiència espectral i velocitat de transmissió sense precedents. A la recent cinquena generació de comunicacions mòbils, les bandes mil·limètriques ja en són una part constitutiva però el seu desplegament encara presenta certes dificultats. En concret, els entorns d'alta mobilitat representen el major repte quan es fan servir diagrames de radiació directius, els quals són essencials per una correcta recepció del senyal en aquestes bandes. S'espera que les comunicacions vehiculars delimitin les capacitats de les xarxes en futures generacions degut al gran nombre d'usuaris simultanis i els requeriments estrictes en termes de fiabilitat, retard i flux de dades mentre es mouen a grans velocitats. Aquesta tesi proposa dues solucions per tal d'explotar al màxim els sistemes de múltiples antenes en tals casos: un ample de feix adaptatiu de les estacions bases quan estiguin fent el seguiment d'un vehicle usuari basat en informació de la posició i el Doppler i el disseny d'un diagrama de radiació adequat al costat del vehicle basat en una estructura de múltiples panells muntats a l'estructura del mateix. A més de les estacions base i els vehicles, un tercer element que no pot ser obviat en aquests escenaris són els vianants. Les generacions anteriors van ser desenvolupades al voltant de la figura d'usuaris humans i ara han de seguir tenint la capacitat de connexió ininterrumpuda amb la resta d'usuaris i explotar les capacitats de 5G. L'ús de frequències mil·limètriques també es té en compte en la fabricació de telèfons mòbils però l'impacte de l'usuari és completament diferent. La última part de la tesis tracta l'estudi de les dinàmiques de l'usuari humà i com influeixen en la cobertura amb diferent sistemes distribuïts d'antenes.Postprint (published version

Combining Geometry, Topology and Semantics for Generic Building Description and Simulations

International audience2D and 3D virtual architectural models are the common ground of many studies, including environmental protection , energy saving, or human well-being. Building or urban environment simulations concern for instance heat transfer, lighting, and acoustics, each of them requiring physical parameters additionally to the geometric representation. Furthermore, geometry does not generally comply straightforwardly with physical parameters and users are forced to manually adapt the models before simulation. This paper proposes an overview of modeling and simulation studies that make use of topological representations, and discusses the advantages of a topological representation for various types of applications. Such a representation can be used not only to maintain the 3D model global coherence, but also to automatically retrieve walls, doors, or room volumes for instance. Based on the existing model of generalized maps, this paper also illustrates some examples of structure traversal that can be used for providing the users with adequate simulation data

Human Body Scattering Effects at Millimeter Waves Frequencies for Future 5G Systems and Beyond

[ES] Se espera que las futuras comunicaciones móviles experimenten una revolución técnica que vaya más allá de las velocidades de datos de Gbps y reduzca las latencias de las velocidades de datos a niveles muy cercanos al milisegundo. Se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras para lograr estas exigentes especificaciones. Y la utilización de las bandas de ondas milimétricas, donde hay mucho espectro disponible, es una de ellas. Debido a las numerosas dificultades técnicas asociadas a la utilización de esta banda de frecuencias, se necesitan complicados modelos de canal para anticipar las características del canal de radio y evaluar con precisión el rendimiento de los sistemas celulares en milimétricas. En concreto, los modelos de propagación más precisos son los basados en técnicas de trazado de rayos deterministas. Pero estas técnicas tienen el estigma de ser computacionalmente exigentes, y esto dificulta su uso para caracterizar el canal de radio en escenarios interiores complejos y dinámicos. La complejidad de la caracterización de estos escenarios depende en gran medida de la interacción del cuerpo humano con el entorno radioeléctrico, que en las ondas milimétricas suele ser destructiva y muy impredecible. Por otro lado, en los últimos años, la industria de los videojuegos ha desarrollado potentes herramientas para entornos hiperrealistas, donde la mayor parte de los avances en esta emulación de la realidad tienen que ver con el manejo de la luz. Así, los motores gráficos de estas plataformas se han vuelto cada vez más eficientes para manejar grandes volúmenes de información, por lo que son ideales para emular el comportamiento de la propagación de las ondas de radio, así como para reconstruir un escenario interior complejo. Por ello, en esta Tesis se ha aprovechado la capacidad computacional de este tipo de herramientas para evaluar el canal radioeléctrico milimétricas de la forma más eficiente posible. Esta Tesis ofrece unas pautas para optimizar la propagación de la señal en milimétricas en un entorno interior dinámico y complejo, para lo cual se proponen tres objetivos principales. El primer objetivo es evaluar los efectos de dispersión del cuerpo humano cuando interactúa con el canal de propagación. Una vez evaluado, se propuso un modelo matemático y geométrico simplificado para calcular este efecto de forma fiable y rápida. Otro objetivo fue el diseño de un reflector pasivo modular en milimétricas, que optimiza la cobertura en entornos de interior, evitando la interferencia del ser humano en la propagación. Y, por último, se diseñó un sistema de apuntamiento del haz predictivo en tiempo real, para que opere con el sistema de radiación en milimétricas, cuyo objetivo es evitar las pérdidas de propagación causadas por el cuerpo humano en entornos interiores dinámicos y complejos.[CA] S'espera que les futures comunicacions mòbils experimenten una revolució tècnica que vaja més enllà de les velocitats de dades de Gbps i reduïsca les latències de les velocitats de dades a nivells molt pròxims al milisegundo. S'han investigat noves tecnologies habilitadoras per a aconseguir estes exigents especificacions. I la utilització de les bandes d'ones millimètriques, on hi ha molt espectre disponible, és una d'elles. A causa de les nombroses dificultats tècniques associades a la utilització d'esta banda de freqüències, es necessiten complicats models de canal per a anticipar les característiques del canal de ràdio i avaluar amb precisió el rendiment dels sistemes cellulars en millimètriques. En concret, els models de propagació més precisos són els basats en tècniques de traçat de rajos deterministes. Però estes tècniques tenen l'estigma de ser computacionalment exigents, i açò dificulta el seu ús per a caracteritzar el canal de ràdio en escenaris interiors complexos i dinàmics. La complexitat de la caracterització d'estos escenaris depén en gran manera de la interacció del cos humà amb l'entorn radioelèctric, que en les ones millimètriques sol ser destructiva i molt impredicible. D'altra banda, en els últims anys, la indústria dels videojocs ha desenrotllat potents ferramentes per a entorns hiperrealistes, on la major part dels avanços en esta emulació de la realitat tenen a veure amb el maneig de la llum. Així, els motors gràfics d'estes plataformes s'han tornat cada vegada més eficients per a manejar grans volums d'informació, per la qual cosa són ideals per a emular el comportament de la propagació de les ones de ràdio, així com per a reconstruir un escenari interior complex. Per això, en esta Tesi s'ha aprofitat la capacitat computacional d'este tipus de ferramentes per a avaluar el canal radioelèctric millimètriques de la manera més eficient possible. Esta Tesi oferix unes pautes per a optimitzar la propagació del senyal en millimètriques en un entorn interior dinàmic i complex, per a la qual cosa es proposen tres objectius principals. El primer objectiu és avaluar els efectes de dispersió del cos humà quan interactua amb el canal de propagació. Una vegada avaluat, es va proposar un model matemàtic i geomètric simplificat per a calcular este efecte de forma fiable i ràpida. Un altre objectiu va ser el disseny d'un reflector passiu modular en millimètriques, que optimitza la cobertura en entorns d'interior, evitant la interferència del ser humà en la propagació, per a així evitar pèrdues de propagació addicionals. I, finalment, es va dissenyar un sistema d'apuntament del feix predictiu en temps real, perquè opere amb el sistema de radiació en millimètriques, l'objectiu del qual és evitar les pèrdues de propagació causades pel cos humà en entorns interiors dinàmics i complexos.[EN] Future mobile communications are expected to experience a technical revolution that goes beyond Gbps data rates and reduces data rate latencies to levels very close to a millisecond. New enabling technologies have been researched to achieve these demanding specifications. The utilization of mmWave bands, where a lot of spectrum is available, is one of them. Due to the numerous technical difficulties associated with using this frequency band, complicated channel models are necessary to anticipate the radio channel characteristics and to accurately evaluate the performance of cellular systems in mmWave. In particular, the most accurate propagation models are those based on deterministic ray tracing techniques. But these techniques have the stigma of being computationally intensive, and this makes it difficult to use them to characterize the radio channel in complex and dynamic indoor scenarios. The complexity of characterizing these scenarios depends largely on the interaction of the human body with the radio environment, which at mmWaves is often destructive and highly unpredictable. On the other hand, in recent years, the video game industry has developed powerful tools for hyper-realistic environments, where most of the progress in this reality emulation has to do with the handling of light. Therefore, the graphic engines of these platforms have become more and more efficient to handle large volumes of information, becoming ideal to emulate the radio wave propagation behavior, as well as to reconstruct a complex interior scenario. Therefore, in this Thesis one has taken advantage of the computational capacity of this type of tools to evaluate the mmWave radio channel in the most efficient way possible. This Thesis offers some guidelines to optimize the signal propagation in mmWaves in a dynamic and complex indoor environment, for which three main objectives are proposed. The first objective has been to evaluate the scattering effects of the human body when it interacts with the propagation channel. Once evaluated, a simplified mathematical and geometrical model has been proposed to calculate this effect in a reliable and fast way. Another objective has been the design of a modular passive reflector in mmWaves, which optimizes the coverage in indoor environments, avoiding human interference in the propagation, in order to avoid its harmful scattering effects. And finally, a real-time predictive beam steering system has been designed for the mmWaves radiation system, in order to avoid propagation losses caused by the human body in dynamic and complex indoor environments.Romero Peña, JS. (2022). Human Body Scattering Effects at Millimeter Waves Frequencies for Future 5G Systems and Beyond [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19132

Towards a cyber physical system for personalised and automatic OSA treatment

Obstructive sleep apnea (OSA) is a breathing disorder that takes place in the course of the sleep and is produced by a complete or a partial obstruction of the upper airway that manifests itself as frequent breathing stops and starts during the sleep. The real-time evaluation of whether or not a patient is undergoing OSA episode is a very important task in medicine in many scenarios, as for example for making instantaneous pressure adjustments that should take place when Automatic Positive Airway Pressure (APAP) devices are used during the treatment of OSA. In this paper the design of a possible Cyber Physical System (CPS) suited to real-time monitoring of OSA is described, and its software architecture and possible hardware sensing components are detailed. It should be emphasized here that this paper does not deal with a full CPS, rather with a software part of it under a set of assumptions on the environment. The paper also reports some preliminary experiments about the cognitive and learning capabilities of the designed CPS involving its use on a publicly available sleep apnea database