Contributions to channel modelling and performance estimation of HAPS-based communication systems regarding IEEE Std 802.16TM

New and future telecommunication networks are and will be broadband type. The existing terrestrial and space radio communication infrastructures might be supplemented by new wireless networks that make and will make use of aeronautics-technology. Our study/contribution is referring to radio communications based on radio stations aboard a stratospheric platform named, by ITU-R, HAPS (High Altitude Platform Station). These new networks have been proposed as an alternative technology within the ITU framework to provide various narrow/broadband communication services. With the possibility of having a payload for Telecommunications in an aircraft or a balloon (HAPS), it can be carried out radio communications to provide backbone connections on ground and to access to broadband points for ground terminals. The latest implies a complex radio network planning. Therefore, the radio coverage analysis at outdoors and indoors becomes an important issue on the design of new radio systems. In this doctoral thesis, the contribution is related to the HAPS application for terrestrial fixed broadband communications. HAPS was hypothesised as a quasi-static platform with height above ground at the so-called stratospheric layer. Latter contribution was fulfilled by approaching via simulations the outdoor-indoor coverage with a simple efficient computational model at downlink mode. This work was assessing the ITU-R recommendations at bands recognised for the HAPS-based networks. It was contemplated the possibility of operating around 2 GHz (1820 MHz, specifically) because this band is recognised as an alternative for HAPS networks that can provide IMT-2000 and IMT-Advanced services. The global broadband radio communication model was composed of three parts: transmitter, channel, and receiver. The transmitter and receiver parts were based on the specifications of the IEEE Std 802.16TM-2009 (with its respective digital transmission techniques for a robust-reliable link), and the channel was subjected to the analysis of radio modelling at the level of HAPS and terrestrial (outdoors plus indoors) parts. For the channel modelling was used the two-state characterisation (physical situations associated with the transmitted/received signals), the state-oriented channel modelling. One of the channel-state contemplated the environmental transmission situation defined by a direct path between transmitter and receiver, and the remaining one regarded the conditions of shadowing. These states were dependent on the elevation angle related to the ray-tracing analysis: within the propagation environment, it was considered that a representative portion of the total energy of the signal was received by a direct or diffracted wave, and the remaining power signal was coming by a specular wave, to last-mentioned waves (rays) were added the scattered and random rays that constituted the diffuse wave. At indoors case, the variations of the transmitted signal were also considering the following matters additionally: the building penetration, construction material, angle of incidence, floor height, position of terminal in the room, and indoor fading; also, these indoors radiocommunications presented different type of paths to reach the receiver: obscured LOS, no LOS (NLOS), and hard NLOS. The evaluation of the feasible performance for the HAPS-to-ground terminal was accomplished by means of thorough simulations. The outcomes of the experiment were presented in terms of BER vs. Eb/N0 plotting, getting significant positive conclusions for these kind of system as access network technology based on HAPS

Performance evaluation of a 40 GHz broadband cellular system

Doutoramento em Engenharia ElectrónicaO trabalho apresentado nesta tese enquadra-se na área das comunicações móveis celulares e tem subjacente a utilização de um protótipo de um sistema de comunicações móveis de banda larga desenvolvido no âmbito do projecto Europeu SAMBA. Este protótipo apresenta como principais características inovadoras as taxas de transmissão, a frequência de operação, a mobilidade e os protocolos de handover rádio. Inicialmente são descritos aspectos relacionados com a evolução das comunicações móveis ao longo do tempo e apresentados conceitos teóricos fundamentais para compreender o comportamento do canal rádio móvel e os mecanismos de propagação. São identificados os tipos de desvanecimento e descritos os vários parâmetros que permitem caracterizar o canal rádio. A descrição do impacto do desvanecimento e as formas de o mitigar são apresentadas para contextualizar o trabalho desenvolvido em termos da especificação do protótipo e as opções escolhidas. As características globais do protótipo são apresentadas o que inclui a descrição do interface rádio, da arquitectura, dos módulos de RF, dos módulos de processamento de banda base, protocolos e algoritmo de transferência rádio. O protótipo foi avaliado em vários cenários com diferentes características. No cenário exterior foi analisada uma rua urbana típica do tipo canyon. Em termos de configuração do sistema foram consideradas e analisadas várias alturas da Estação Base, anglos de inclinação das antenas, várias velocidades da Terminal Móvel, operação com e sem linha de vista e a penetração do sinal rádio em ruas transversais. No cenário interior foram realizados testes similares e medidas relativas às transferências que só foram executadas para este cenário por questões logísticas. Numa primeira abordagem foi analisada a cobertura oferecida por cada célula e posteriormente activada a funcionalidade de transferência. Foram também efectuados estudos com uma única Estação Base cobrindo toda a área. Em termos de caracterização do canal rádio em banda larga são apresentadas medidas da resposta impulsiva para dois cenários interiores e complementados por outros estudos via simulação utilizando uma ferramenta de ray tracing. Nas medidas foi utilizado um método de medição do canal no domínio da frequência. A relação entre o Espalhamento do Atraso e a Banda de Coerência em diferentes cenários foi analisada em detalhe e feita a verificação em termos da violação do limite teórico de Fleury. Como consequência dos tópicos abordados, esta tese apresenta um estudo abrangente de aspectos relacionados com o comportamento do canal rádio na faixa dos 40 GHz e a análise das opções técnicas do protótipo em termos do seu desempenho no âmbito dos sistemas de comunicações móveis 4G.The work presented in this thesis addresses the area of mobile cellular broadband communications and encompasses the utilization of a prototype developed in the framework of the European project SAMBA. This prototype has as main innovative characteristics the transmission rates, the frequency band of operation, the mobility and the radio handover protocols. Initially are described aspects related with the historical evolution of the mobile communications and presented fundamental theoretical concepts to understand the behaviour of the radio channel and the propagation mechanisms. The different types of fading are identified as well as the various parameters that allow the characterisation of the radio channel. The fading impact and its mitigation techniques are presented to contextualise the work developed in terms of the specification of the features implemented in the prototype and the options available. The global characteristic of the prototype are presented namely the radio interface, the architecture, the RF modules, the baseband modules, protocols and the algorithm for the radio handover. The prototype was evaluated in various scenarios with different characteristics. In the outdoor scenario a canyon type street was analysed. Several heights of the Base Station, antenna tilting angles, Mobile Terminal velocities, operation in line-of-sight and non line-of-sight and the penetration of the signal in a transversal street. In the indoor scenario similar measurements were performed. The handover feature was analysed just for this scenario due to logistic reasons. In a first phase the coverage provided by each Base Station was analysed and subsequently activated the handover functionality. Studies using a single Base Station to cover the whole pavilion were also performed. In terms of broadband analysis, channel impulse response measurements were performed using a frequency domain technique in two scenarios and complemented by others analysed only using a ray tracing simulation tool. The relationship between the radio channel Delay Spread and the Coherence Bandwidth was analysed in different scenarios and the possible violation of the Fleury lower bond checked. As a consequence of the several topics covered in this thesis, a deep study of the aspects related with the behaviour of the radio channel in the 40 GHz band and the performance of the technical options implemented in the prototype is presented in the framework of 4G mobile communication systems

Approaching universal frequency reuse through base station cooperation

Base Station (BS) architectures are a promising cellular wireless solution to mitigate the interference issues and to avoid the high frequency reuse factors implemented in conventional systems. Combined with block transmission techniques, such as Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) for the downlink and Single-Carrier with Frequency-Domain Equalization (SC-FDE) for the uplink, these systems provide a significant performance improvement to the overall system. Block transmission techniques are suitable for broadband wireless communication systems, which have to deal with strongly frequency-selective fading channels and are able to provide high bit rates despite the channel adversities. In BS cooperation schemes users in adjacent cells share the same physical channel and the signals received by each BS are sent to a Central Processing Unit (CPU) that combines the different signals and performs the user detections and/or separation, which can be regarded as a Multi-User Detection (MUD) technique. The work presented in this thesis is focused on the study of uplink transmissions in BS cooperations systems, considering single carrier block transmission schemes and iterative receivers based on the Iterative-Block Decision Feedback Equalization (IB-DFE) concept, which combined with the employment of Cyclic Prefix (CP)-assisted block transmission techniques are appropriate to scenarios with strongly time-dispersive channels. Furthermore, the impact of the sampling and quantization applied to the received signals from each Mobile Terminal (MT) to the corresponding BS is studied, with the achievement of the spectral characterization of the quantization noise. This thesis also provides a conventional analytical model for the BER (Bit Error Rate) performance complemented with an approach to improve its results. Finally, this thesis addresses the contextualization of BS cooperation schemes in clustered C-RAN (Centralized-Radio Access Network)-type solutions.As arquitecturas BS cooperation são uma solução promissora de redes celulares sem fios para atenuar o problema da interferência e evitar os factores de reuso elevados, que se encontram implementados nos sistemas convencionais. Combinadas com técnicas de transmissão por blocos, como o OFDM para o downlink e o SC-FDE no uplink, estes sistemas fornecem uma melhoria significativa no desempenho geral do sistema. Técnicas de transmissão por blocos são adequadas para sistemas de comunicações de banda larga sem fios, que têm que lidar com canais que possuem um forte desvanescimento selectivo na frequência e são capazes de fornecer ligações com taxas de transmissão altas apesar das adversidades do canal. Em esquemas BS cooperation os terminais móveis situados em células adjacentes partilham o mesmo canal físico e os sinais recebidos em cada estação de base são enviados para uma Unidade Central de Processamento (CPU) que combina os diferentes sinais recebidos associados a um dado utilizador e realiza a detecção e/ou separação do mesmo, sendo esta considerada uma técnica de Detecção Multi-Utilizador (MUD). O trabalho apresentado nesta tese concentra o seu estudo no uplink de transmissões em sistemas BS cooperation, considerando transmissões em bloco de esquemas monoportadoras e receptores iterativos baseados no conceito B-DFE, em que quando combinados com a implementação de técnicas de transmissao por blocos assistidas por prefixos cíclicos (CP) são apropriados a cenários com canais fortemente dispersivos no tempo. Além disso, é estudado o impacto do processo de amostragem e quantização aplicados aos sinais recebidos de cada terminal móvel para a estação de base, com a obtenção da caracterização espectral do ruído de quantização. Esta tese também fornece um modelo analítico convencional para a computação do desempenho da taxa de erros de bit (BER), com um método melhorado para o mesmo. Por último, esta tese visa a contextualização dos sistemas BS cooperation em soluções do tipo C-RAN

Improved Spectrum Usage with Multi-RF Channel Aggregation Technologies for the Next-Generation Terrestrial Broadcasting

[EN] Next-generation terrestrial broadcasting targets at enhancing spectral efficiency to overcome the challenges derived from the spectrum shortage as a result of the progressive allocation of frequencies - the so-called Digital Dividend - to satisfy the growing demands for wireless broadband capacity. Advances in both transmission standards and video coding are paramount to enable the progressive roll-out of high video quality services such as HDTV (High Definition Televison) or Ultra HDTV. The transition to the second generation European terrestrial standard DVB-T2 and the introduction of MPEG-4/AVC video coding already enables the transmission of 4-5 HDTV services per RF (Radio Frequency) channel. However, the impossibility to allocate higher bit-rate within the remaining spectrum could jeopardize the evolution of the DTT platforms in favour of other high-capacity systems such as the satellite or cable distribution platforms. Next steps are focused on the deployment of the recently released High Efficiency Video Coding (HEVC) standard, which provides more than 50% coding gain with respect to AVC, with the next-generation terrestrial standards. This could ensure the competitiveness of the DTT. This dissertation addresses the use of multi-RF channel aggregation technologies to increase the spectral efficiency of future DTT networks. The core of the Thesis are two technologies: Time Frequency Slicing (TFS) and Channel Bonding (CB). TFS and CB consist in the transmission of the data of a TV service across multiple RF channels instead of using a single channel. CB spreads data of a service over multiple classical RF channels (RF-Mux). TFS spreads the data by time-slicing (slot-by-slot) across multiple RF channels which are sequentially recovered at the receiver by frequency hopping. Transmissions using these features can benefit from capacity and coverage gains. The first one comes from a more efficient statistical multiplexing (StatMux) for Variable Bit Rate (VBR) services due to a StatMux pool over a higher number of services. Furthermore, CB allows increasing service data rate with the number of bonded RF channels and also advantages when combined with SVC (Scalable Video Coding). The coverage gain comes from the increased RF performance due to the reception of the data of a service from different RF channels rather that a single one that could be, eventually, degraded. Robustness against interferences is also improved since the received signal does not depend on a unique potentially interfered RF channel. TFS was firstly introduced as an informative annex in DVB-T2 (not normative) and adopted in DVB-NGH (Next Generation Handheld). TFS and CB are proposed for inclusion in ATSC 3.0. However, they have never been implemented. The investigations carried out in this dissertation employ an information-theoretical approach to obtain their upper bounds, physical layer simulations to evaluate the performance in real systems and the analysis of field measurements that approach realistic conditions of the network deployments. The analysis report coverage gains about 4-5 dB with 4 RF channels and high capacity gains already with 2 RF channels. This dissertation also focuses on implementation aspects. Channel bonding receivers require one tuner per bonded RF channel. The implementation of TFS with a single tuner demands the fulfilment of several timing requirements. However, the use of just two tuners would still allow for a good performance with a cost-effective implementation by the reuse of existing chipsets or the sharing of existing architectures with dual tuner operation such as MIMO (Multiple Input Multiple Output).[ES] La televisión digital terrestre (TDT) de última generación está orientada a una necesaria mejora de la eficiencia espectral con el fin de abordar los desafíos derivados de la escasez de espectro como resultado de la progresiva asignación de frecuencias - el llamado Dividendo Digital - para satisfacer la creciente demanda de capacidad para la banda ancha inalámbrica. Los avances tanto en los estándares de transmisión como de codificación de vídeo son de suma importancia para la progresiva puesta en marcha de servicios de alta calidad como la televisión de Ultra AD (Alta Definición). La transición al estándar europeo de segunda generación DVB-T2 y la introducción de la codificación de vídeo MPEG-4 / AVC ya permite la transmisión de 4-5 servicios de televisión de AD por canal RF (Radiofrecuencia). Sin embargo, la imposibilidad de asignar una mayor tasa de bit sobre el espectro restante podría poner en peligro la evolución de las plataformas de TDT en favor de otros sistemas de alta capacidad tales como el satélite o las distribuidoras de cable. El siguiente paso se centra en el despliegue del reciente estándar HEVC (High Efficiency Video Coding), que ofrece un 50% de ganancia de codificación con respecto a AVC, junto con los estándares terrestres de próxima generación, lo que podría garantizar la competitividad de la TDT en un futuro cercano. Esta tesis aborda el uso de tecnologías de agregación de canales RF que permitan incrementar la eficiencia espectral de las futuras redes. La tesis se centra en torno a dos tecnologías: Time Frequency Slicing (TFS) y Channel Bonding (CB). TFS y CB consisten en la transmisión de los datos de un servicio de televisión a través de múltiples canales RF en lugar de utilizar un solo canal. CB difunde los datos de un servicio a través de varios canales RF convencionales formando un RF-Mux. TFS difunde los datos a través de ranuras temporales en diferentes canales RF. Los datos son recuperados de forma secuencial en el receptor mediante saltos en frecuencia. La implementación de estas técnicas permite obtener ganancias en capacidad y cobertura. La primera de ellas proviene de una multiplexación estadística (StatMux) de servicios de tasa variable (VBR) más eficiente. Además, CB permite aumentar la tasa de pico de un servicio de forma proporcional al número de canales así como ventajas al combinarla con codificación de vídeo escalable. La ganancia en cobertura proviene de un mejor rendimiento RF debido a la recepción de los datos de un servicio desde diferentes canales en lugar uno sólo que podría estar degradado. Del mismo modo, es posible obtener una mayor robustez frente a interferencias ya que la recepción o no de un servicio no depende de si el canal que lo alberga está o no interferido. TFS fue introducido en primer lugar como un anexo informativo en DVB-T2 (no normativo) y posteriormente fue adoptado en DVB-NGH (Next Generation Handheld). TFS y CB han sido propuestos para su inclusión en ATSC 3.0. Aún así, nunca han sido implementados. Las investigaciones llevadas a cabo en esta Tesis emplean diversos enfoques basados en teoría de la información para obtener los límites de ganancia, en simulaciones de capa física para evaluar el rendimiento en sistemas reales y en el análisis de medidas de campo. Estos estudios reportan ganancias en cobertura en torno a 4-5 dB con 4 canales e importantes ganancias en capacidad aún con sólo 2 canales RF. Esta tesis también se centra en los aspectos de implementación. Los receptores para CB requieren un sintonizador por canal RF agregado. La implementación de TFS con un solo sintonizador exige el cumplimiento de varios requisito temporales. Sin embargo, el uso de dos sintonizadores permitiría un buen rendimiento con una implementación más rentable con la reutilización de los actuales chips o su introducción junto con las arquitecturas existentes que operan con un doble sintonizador tales como[CA] La televisió digital terrestre (TDT) d'última generació està orientada a una necessària millora de l'eficiència espectral a fi d'abordar els desafiaments derivats de l'escassetat d'espectre com a resultat de la progressiva assignació de freqüències - l'anomenat Dividend Digital - per a satisfer la creixent demanda de capacitat per a la banda ampla sense fil. Els avanços tant en els estàndards de transmissió com de codificació de vídeo són de la màxima importància per a la progressiva posada en marxa de serveis d'alta qualitat com la televisió d'Ultra AD (Alta Definició). La transició a l'estàndard europeu de segona generació DVB-T2 i la introducció de la codificació de vídeo MPEG-4/AVC ja permet la transmissió de 4-5 serveis de televisió d'AD per canal RF (Radiofreqüència). No obstant això, la impossibilitat d'assignar una major taxa de bit sobre l'espectre restant podria posar en perill l'evolució de les plataformes de TDT en favor d'altres sistemes d'alta capacitat com ara el satèl·lit o les distribuïdores de cable. El següent pas se centra en el desplegament del recent estàndard HEVC (High Efficiency Vídeo Coding), que oferix un 50% de guany de codificació respecte a AVC, junt amb els estàndards terrestres de pròxima generació, la qual cosa podria garantir la competitivitat de la TDT en un futur pròxim. Aquesta tesi aborda l'ús de tecnologies d'agregació de canals RF que permeten incrementar l'eficiència espectral de les futures xarxes. La tesi se centra entorn de dues tecnologies: Time Frequency Slicing (TFS) i Channel Bonding (CB). TFS i CB consistixen en la transmissió de les dades d'un servei de televisió a través de múltiples canals RF en compte d'utilitzar un sol canal. CB difon les dades d'un servei a través d'uns quants canals RF convencionals formant un RF-Mux. TFS difon les dades a través de ranures temporals en diferents canals RF. Les dades són recuperades de forma seqüencial en el receptor per mitjà de salts en freqüència. La implementació d'aquestes tècniques permet obtindre guanys en capacitat i cobertura. La primera d'elles prové d'una multiplexació estadística (StatMux) de serveis de taxa variable (VBR) més eficient. A més, CB permet augmentar la taxa de pic d'un servei de forma proporcional al nombre de canals així com avantatges al combinar-la amb codificació de vídeo escalable. El guany en cobertura prové d'un millor rendiment RF a causa de la recepció de les dades d'un servei des de diferents canals en lloc de només un que podria estar degradat. De la mateixa manera, és possible obtindre una major robustesa enfront d'interferències ja que la recepció o no d'un servei no depén de si el canal que l'allotja està o no interferit. TFS va ser introduït en primer lloc com un annex informatiu en DVB-T2 (no normatiu) i posteriorment va ser adoptat en DVB-NGH (Next Generation Handheld). TFS i CB han sigut proposades per a la seva inclusió en ATSC 3.0. Encara així, mai han sigut implementades. Les investigacions dutes a terme en esta Tesi empren diverses vessants basades en teoria de la informació per a obtindre els límits de guany, en simulacions de capa física per a avaluar el rendiment en sistemes reals i en l'anàlisi de mesures de camp. Aquestos estudis reporten guanys en cobertura entorn als 4-5 dB amb 4 canals i importants guanys en capacitat encara amb només 2 canals RF. Esta tesi també se centra en els aspectes d'implementació. Els receptors per a CB requerixen un sintonitzador per canal RF agregat. La implementació de TFS amb un sol sintonitzador exigix el compliment de diversos requisit temporals. No obstant això, l'ús de dos sintonitzadors permetria un bon rendiment amb una implementació més rendible amb la reutilització dels actuals xips o la seua introducció junt amb les arquitectures existents que operen amb un doble sintonitzador com ara MIMO (Multiple Input Multiple Output).Giménez Gandia, JJ. (2015). Improved Spectrum Usage with Multi-RF Channel Aggregation Technologies for the Next-Generation Terrestrial Broadcasting [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/52520TESI

Towards an interactive framework for robot dancing applications

Estágio realizado no INESC-Porto e orientado pelo Prof. Doutor Fabien GouyonTese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Major Telecomunicações. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 200

Comunicações óticas de alto débito em espaço livre

Signal distribution through high capacity links is nowadays a requirement that is becoming more crucial than ever. Therefore, the introduction of fifth generation mobile networks lead to the need for high capacity fronthaul and backhaul. Fiber distributions are commonly available in developed countries, however there are some areas that do not sustain this type of resource, such as in areas with low residential user density. To overcome the idea that resources are allocated only in these areas, free space optics (FSO) present a suitable and lower cost solution and can be used in temporary events (e.g. when the fiber is disrupted). Free space optics is an optical type of communication that requires line of sight, where the atmosphere is the transmission medium. Due to changes in the atmospheric conditions, free space optics systems suffer from variable attenuation. In the scope of this work, the atmospheric interaction is the subject of study. To accomplish link optimization, several alternatives are studied, being based on channel prediction along side with probabilistic constellation shaping. A concave mirror together with a positioning system is also used to overcome structure sway and other sources of pointing error. In the lab, the estimation processes are used to produce 64-QAM connection with variable transmission rates between 400 Gbit/s and 500 Gbit/s and the gain from using adaptive modulation is evaluated. In the last stage, an automatic gimbal positioning system is also tested for several control algorithms.Atualmente, a distribuição de sinais por meio de canais de alta capacidade é um requisito cada vez mais crucial. Nesse sentido, a progressiva introdução de novas tecnologias de acesso móvel de quinta geração desempenha um papel fundamental, fomentando a necessidade de desenvolver novas técnicas de transmissão de alto débito para redes de fronthaul e/ou backhaul. As distribuições de fibra estão bem disseminadas entre os países desenvolvidos, no entanto, existem algumas áreas que não sustentam esse tipo de recurso, o que é comum em regiões de baixa densidade de clientes residenciais. Para combater a ideia de que os recursos são alocados apenas nas grandes áreas, a ótica de espaço livre apresenta uma solução adequada. Alternativamente, devido à facilidade e rapidez de instalação, as comunicações óticas de espaço livre podem ser utilizadas como alternativa à fibra em casos de destruição da mesma. A comunicação ótica em espaço livre é um tipo de comunicação direcional que requer linha de vista, sendo a atmosfera o meio de propagação. Devido às variações atmosféricas, as comunicações oticas de espaço livre sofrem atenuação variável. No decorrer deste trabalho, a interação atmosférica é objeto de estudo. Para realizar a otimização do canal de transmissão, várias alternativas são estudadas, baseando-se na previsão de canais em tempo real em conjunto com modulação probabilística da constelação. Um espelho côncavo equipado com sistema de posicionamento é também usado para superar as vibrações e outras fontes de erro posicional. No laboratório, os processos de estimativa são usados para adaptar uma conexão 64-QAM com taxas de transmissão entre 400 Gbit/s e 500 Gbit/s. O ganho do uso da modulação adaptativa é avaliado face a formatos de modulação fixos. No último estágio, o sistema de posicionadores é também testado, com o intuito de avaliar o seu impacto na estabilidade do canal.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Análise do desempenho de enlaces ponto-a-ponto utilizando a faixa de frequęncia năo licenciada de 2,4GHz em tecnologia spread spectrum /

Orientador : Horácio Tertuliano FilhoDissertaçăo (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduaçao em Engenharia Elétrica. Defesa: Curitiba, 2005Inclui bibliografiaÁrea de concentraçăo: Telecomunicaçőe

Analysis of Wireless Body-Centric Medical Sensors for Remote Healthcare

Aquesta tesi aborda el problema de trobar solucions confortables, de baixa potència i sense fils per aplicacions mèdiques. La tesi tracta els avantatges i les limitacions de tres tecnologies de comunicació diferents per la mesura de paràmetres del cos i mètodes per redissenyar sensors per avaluacions òptimes centrades en el cos. La tecnologia RFID es considera una de les solucions més influents per superar el problema del consum d'energia limitat, a causa de la presència de molts sensors connectats. També s'ha estudiat la tecnologia Bluetooth de baixa energia per resoldre els problemes de seguretat i la distància de lectura que, en general, representen el coll d'ampolla de RFID pels sensors de cos. Els dispositius analògics poden reduir dràsticament les necessitats d'energia a causa dels sensors i les comunicacions, considerant pocs elements i un mètode de transmissió simple. S'estudia un mètode de comunicació completament passiu, basat en FSS, que permet una distància de lectura raonable amb capacitats de detecció precises i confiables, que s'ha discutit en aquesta tesi. L'objectiu d'aquesta tesi és investigar múltiples tecnologies sense fils per dispositius portàtils per identificar solucions adequades per aplicacions particulars en el camp mèdic. El primer objectiu és demostrar la facilitat d'ús de les tecnologies econòmiques sense bateria com un indicador útil de paràmetres fisiopatològics mitjançant la investigació de les propietats de les etiquetes RFID. A més a més, s'ha abordat un aspecte més complex respecte a l'ús de petits components passius com sensors sense fils per trastorns del son. Per últim, un altre objectiu de la tesi és el desenvolupament d'un sistema completament autònom que utilitzi tecnologia BLE per obtenir propietats avançades mantenint baix tant el consum com el preuEsta tesis aborda el problema de encontrar soluciones confortables, inalámbricas y de baja potencia para aplicaciones médicas. La tesis discute las ventajas y limitaciones de tres tecnologías de comunicación diferentes para la medición en el cuerpo y los métodos para elegir y remodelar los sensores para evaluaciones óptimas centradas en el cuerpo. La tecnología RFID se considera una de las soluciones más influyentes para superar el consumo de energía limitado debido a la presencia de muchos sensores conectados. Además, la baja energía de Bluetooth se ha estudiado se ha estudiado la tecnologia Bluetooth de baja energia para resolver los problemas de seguridad y la distancia de lectura que, en general, representan el cuello de botella de la RFID para los sensores de cuerpo. Los dispositivos analógicos pueden reducir drásticamente las necesidades de energía debido a los sensores y las comunicaciones, considerando pocos elementos y un método de transmisión simple. Se estudia un método de comunicación completamente pasivo, basado en FSS, que permite una distancia de lectura razonable con capacidades de detección precisas y confiables, que se ha discutido en esta tesis. El objetivo de esta tesis es investigar múltiples tecnologías inalámbricas para dispositivos portátiles para identificar soluciones adecuadas para aplicaciones particulares en campos médicos. El primer objetivo es demostrar la facilidad de uso de las tecnologías económicas sin batería como un indicador útil de dichos parámetros fisiopatológicos mediante la investigación de las propiedades de las etiquetas RFID. Además, se ha abordado un aspecto más complejo con respecto al uso de pequeños componentes pasivos como sensores inalámbricos para enfermedades del sueño. Por último, un resultado de la tesis es desarrollar un sistema completamente autónomo que utilice la tecnología BLE para obtener propiedades avanzadas que mantengan la baja potencia y un precio bajo.This thesis addresses the problem of comfortable, low powered and, wireless solutions for specific body-worn sensing. The thesis discusses advantages and limitations of three different communication technologies for on body measurement and investigate methods to reshape sensors for optimum body-centric assessments. The RFID technology is considered one of the most influential solutions to overcome the limitated power consumption due to the presence of many sensors connected. Further, the Bluetooth low energy has been studied to solve security problems and reading distance that overall represent the bottleneck of the RFID for the body-worn sensors. Analog devices can drastically reduce the energy needs due to the sensors and the communications, considering few elements and a simple transmitting method. An entirely passive communication method, based on FSS is studied, enabling a reasonable reading distance with precise and reliable sensing capabilities, which has been discussed in this thesis. The objective of this thesis is to investigate multiple wireless technologies for wearable devices to identify suitable solutions for particular applications in medical fields. The first objective is to demonstrate the usability of the inexpensive battery-less technologies as a useful indicator of such a physio-pathological parameters by investigating the properties of the RFID tags. Furthermore, a more complex aspect regards the use of small passive components as wireless sensors for sleep diseases has been addressed. Lastly, an outcome of the thesis is to develop an entirely autonomous system using the BLE technology to obtain advanced properties keeping low power and a low price

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

Advances in Computer Science and Engineering

The book Advances in Computer Science and Engineering constitutes the revised selection of 23 chapters written by scientists and researchers from all over the world. The chapters cover topics in the scientific fields of Applied Computing Techniques, Innovations in Mechanical Engineering, Electrical Engineering and Applications and Advances in Applied Modeling