Beam Tracking Strategies for 5G New Radio Networks Operating in the Millimetre Wave Bands

[ES] La llegada de la próxima generación del estándar de comunicaciones móviles, la llamada quinta generación (5G), es prácticamente una realidad. Las primeras redes comerciales han comenzado a ser desplegadas, centrándose en ofrecer altas velocidades de transferencia de datos. Sin embargo, el estándar 5G va mucho más allá y prevé dar soporte a nuevos servicios que pretenden revolucionar la sociedad. Estos nuevos servicios imponen un nivel alto de requisitos en no solo en cuanto a velocidad del tráfico de datos, sino en cuanto a latencia o número de dispositivos conectados simultáneamente. La amplia variedad de requisitos no puede ser soportada por las redes de cuarta generación (4G), por lo que se hizo necesario plantear un nuevo paradigma para las redes inalámbricas. Con la promesa de grandes cantidades de ancho de banda sin utilizar, el estándar 5G contempla utilizar frecuencias en la comúnmente conocida como banda de milimétricas (mmWave). Esta banda presenta grandes pérdidas de propagación, que se acentúan si existen bloqueos de señal. Actividades regulatorias del uso de las bandas de milimétricas atrajo el interés tanto de la industria como de la academia en plantear soluciones para dar servicio en estas bandas. En los últimos años se han presentado infinidad de trabajos basados en sistemas con múltiples antenas o MIMO, para conformar las señales transmitidas o recibidas en haces apuntando en determinadas direcciones. La ganancia que aportan los sistemas MIMO pueden compensar las altas pérdidas de propagación, asegurando la viabilidad de las comunicaciones mmWave. Se ha detectado una evidente falta de estudios sobre la viabilidad de sistemas MIMO en entornos móviles y dinámicos con bloqueos que hagan necesario que el sistema se reconfigure. Esta Tesis pretende cubrir este espacio desde un enfoque práctico y propone mecanismos de gestión de los haces para hacerles un seguimiento utilizando los recursos y mecanismos del nuevo estándar 5G. Las soluciones aportadas se basan en el uso eficiente de los reportes de medidas de las señales de referencia estandarizadas en enlace descendente. En primer lugar, esta Tesis recoge un análisis minucioso del estado del arte, donde se corrobora la necesidad de aportar soluciones de seguimiento de haces en sistemas de comunicaciones en la banda de milimétricas. Además, se estudian los diferentes mecanismos definidos en el estándar 5G y que posibilitan el seguimiento. Cabe destacar que el estándar no define un mecanismo único a seguir, permitiendo presentar propuestas. Una vez conocidas las tecnologías, se centra el estudio en el impacto del seguimiento sobre las prestaciones a nivel de red y de enlace. Dicho estudio se realiza sobre un sistema punto a punto, donde el terminal móvil se desplaza por un entorno urbano. En base a simulaciones de red, se cuantifica el índice de seguimiento de haz y de cómo dicho seguimiento afecta a la relación señal a ruido más interferencia (SINR) y la tasa de transmisión del usuario. Las soluciones de seguimiento propuestas en esta Tesis se pueden clasificar en dos categorías. En una primera categoría, se realiza el seguimiento en base a reportes de medidas de las señales de referencia. Independientemente de la velocidad, se alcanza un seguimiento del 91% con poca penalización en la tasa de transmisión si se monitorizan los haces de interés con una periodicidad menor de 20 ms. En la segunda categoría caben mecanismos de seguimiento que hacen uso de fuentes externas de información. Dentro de esta categoría, se propone un fingerprinting que relacione haces con la localización reportada y un modelo de machine learning (ML) que prediga los haces a utilizar. El fingerprinting proporciona los mismos niveles de rendimiento. Sin embargo, esta solución es muy sensible a errores y requiere considerar todos los casos posibles, lo que la hace tecnológicamente inviable. En cambio, el modelo de ML, que hace p[CA] L'arribada de la següent generació de l'estàndard de comunicacions mòbils, l'anomenada cinquena generació (5G), es pràcticament una realitat. Les primeres xarxes comercials han començat a desplegar-se i s'han centrat en oferir altes velocitats de transferència de dades. No obstant, l'estàndard 5G va molt mes allà y preveu donar suport a nous serveis que pretenen revolucionar la societat. Estos nous serveis imposen un alt nivell de requisits no sols en quant a velocitat de tràfic de dades, si no també en quant a latència o número de connexions simultànies. L'ampla varietat de requisits no es suportada per les xarxes de quarta generació (4G) actuals, per el qual es va fer necessari un nou paradigma de xarxes sense fil. Amb la promesa de amplies quantitats d'ample de banda, l'estàndard 5G contempla utilitzar freqüències a la banda de mil·limètriques. Esta banda presenta l'inconvenient d'experimentar grans pèrdues de propagació, que s'accentuen en cas de bloqueigs. L'apertura de les bandes de mil·limètriques va atraure l'interès tant de l'industria com de l'acadèmia en plantejar solucions per a donar servei en estes bandes. En els últims anys s'han presentat infinitat de treballs basats en sistemes amb múltiples antenes o MIMO, per a conformar els senyals transmesos o rebuts en feixos apuntant en determinades direccions d'interès. El guany de feix es pot utilitzar per a compensar les pèrdues de propagació, assegurant la viabilitat de les comunicacions en la banda de mil·limètriques. No obstant això, s'ha detectat una preocupant manca d'estudis sobre la viabilitat d'estos sistemes en entorns mòbils i dinàmics, amb obstacles que bloquejen els feixos i facen necessari que el sistema es reconfigure. El present treball de Tesi pretén cobrir este espai buit i des d'un punt de vista pràctic, es proposen mecanismes de gestió dels feixos per a ser el seguiment utilitzant els recursos i mecanismes dels que disposa l'estàndard 5G. D'esta manera, les solucions aportades es basen en la utilització eficient dels reports de mesures dels senyals de referència del enllaç descendent. En primer lloc, esta Tesi recull una anàlisi minuciosa de l'estat de l'art on es corrobora la necessitat de aportar solucions de seguiment de feixos per a comunicacions en la banda de freqüències mil·limètriques. A més a més, s'estudien els diferents mecanismes definits a l'estàndard 5G i que possibiliten el seguiment. Cap destacar que l'estàndard no defineix un mecanisme únic, si no que deixa la porta oberta a presentar propostes. Una vegada conegudes les tecnologies, l'estudi es centra en l'impacte del seguiment sobre les prestacions a nivell de xarxa i d'enllaç. Este estudi es realitza sobre un sistema MIMO punt a punt, en una única estació base i un terminal mòbil desplaçant-se en un entorn urbà. En base a simulacions d'extrem a extrem, es quantifica l'índex de seguiment de feix i com l'anomenat seguiment afecta a la relació senyal a soroll més interferència (SINR) i a la taxa instantània de transmissió de l'usuari. Les solucions de seguiment de feixos propostes a la Tesi es poden classificar en dos categories. A la primera categoria, el seguiment de feixos es realitza en base als reports de mesures dels senyals de referència. Independentment de la velocitat, s'arriba a una taxa de seguiment del 91% amb poca penalització de taxa de transmissió si els feixos d'interès es mesuren amb una periodicitat menor a 20 ms. A la segona categoria pertanyen els algoritmes que utilitzen fonts d'informació externes. Dins d'aquesta categoria es proposa un fingerprinting que relaciona un parell de feixos amb la ubicació de l'usuari, i a banda un model d'intel·ligència artificial (IA) que preveu el feix a utilitzar. El fingerprinting ofereix el mateix rendiment. Però, esta solució es molt sensible a errors i requereix considerar tots els casos possibles, fent-la tecnològicament inviable. En canvi, el[EN] The arrival of the next generation of mobile communication standards, the so-called Fifth Generation (5G), is already a reality. The first commercial networks have begun to be deployed, and they focus on providing higher data rates. However, the 5G standard goes much further from that and aims at providing support to new services which will revolutionise the society. These new services impose a high level of requirements not only in terms of the data traffic speed, but also in terms of very low latency or incredibly large number of simultaneous connections. This wide variety of requirements cannot be technologically supported by the current Fourth Generation (4G) networks, so it became necessary to move forward with a new paradigm for wireless networks. With the promise of large amounts of bandwidth, in the order of GHz, the 5G standard contemplates the use of frequencies in the commonly known Millimetre Wave (mmWave) band. The mmWave band experiences large propagation losses, which are accentuated in blockage events. Regulatory activities worldwide in the mmWave bands attracted the interest of both the industry and the academia. In the last few years, a tremendous number of contributions on mmWave propagation studies and networks have appeared, most of them based on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) solutions. MIMO architectures allow to beamform, which focuses the radiated energy on certain directions of interest called beams. The additional beam gain compensates the high propagation losses, ensuring the viability of the communications in the mmWave band. There is an evident lack of viability studies of mmWave MIMO systems in mobile and highly-dynamic environments, where obstacles may block beams and forcing frequent re-configurations. This Thesis work aims to fill this gap from a practical approach. This Thesis proposes beam management mechanisms utilising the mechanisms and resources offered by the Third Generation Partnership Project (3GPP) 5G radio access standard: 5G New Radio (NR). The practical solutions are based on the efficient use of measurement reports of standardised downlink Reference Signals (RS). In first place, this Thesis provides a thorough state-of-the-art analysis and corroborates the need of adopting beam tracking solutions for mmWave networks. Then, a complete overview of the 5G standard mechanisms that enable beam tracking is given. The NR standard does not define a standardised mechanism for beam tracking, leaving the door open to proposals to carry out such monitoring. Once the technologies have been identified, the Thesis continues with assessing the impact of the beam tracking strategies on the network and link-level performance. The study is focused on individual point-to-point mmWave links in a realistic urban environment. Based on end-to-end network simulations, the Thesis is interested in assessing the beam tracking success ratio and how beam misalignment affects the perceived Signal to Noise plus Interference Ratio (SINR) and user throughput at pedestrian and vehicular speeds. The beam tracking solutions proposed in this Thesis fall into two categories. The first category monitors beams based on measuring and reporting beamformed RS. Regardless of the speed, this beam tracking category provides up to 91 % tracking performance, with little throughput reduction if the beams of interest are measured with a periodicity below 20 ms. Beam tracking in the second category relies on external information sources. Within this category, this Thesis proposes a fingerprinting database relating beams to the user position and a machine learning (ML) model. Fingerprinting beam tracking is technologically viable and provides similar performance levels. However, this solution is very sensitive to errors and requires considering all possible situations. The ML beam tracking, which makes predictions with a 16 % of estimation error for the reference data set.I want to thank the Spanish Ministry of Education and Professional Formation for funding this Thesis work with an official pre-doctoral contract grant.Herranz Claveras, C. (2019). Beam Tracking Strategies for 5G New Radio Networks Operating in the Millimetre Wave Bands [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130845TESI

Benjamin, Baudelaire y la "tradición auténtica"

The aim of this essay is to outline an inquiry into the meaning of Walter Benjamin’s concept of authentic tradition, starting from its relationship to the concept of modern beauty as described by Charles Baudelaire, an author of utmost importance to Benjamin. The modern revolution of time is a common fascination for these two authors, and each investigates it under a certain ‘secret identity’ and in a specific space they believe desirable or necessary –Baudelaire becoming the art critic in the context of showrooms, while Benjamin adopts the appearance of the ragman of history–, but always under the common image of a man who’s part of the crowd in the big city. From this common endeavor, we’ll try to understand why the German philosopher qualifies his concept of tradition as “authentic”.El presente ensayo plantea una búsqueda del sentido del concepto benjaminiano de tradición auténtica, a partir de su relación con el de belleza moderna acuñado por Charles Baudelaire, escritor de máxima importancia para Walter Benjamin. La revolución moderna del tiempo es la tarea común a la que ambos dedican sus esfuerzos, cada uno bajo el disfraz de su “identidad secreta” y en el espacio que cree conveniente o necesario –Baudelaire será el crítico de arte en el contexto de los salones de exposiciones, mientras que Benjamin adoptará la apariencia de un trapero de la historia– pero siempre bajo la forma común del paseante entre la multitud de la gran ciudad. Desde esa labor compartida intentaremos entender qué añade el adjetivo auténtico al concepto de tradición que maneja el alemán

Low-power optical beam steering by microelectromechanical waveguide gratings

Optical beam steering is key for optical communications, laser mapping (LIDAR), and medical imaging. For these applications, integrated photonics is an enabling technology that can provide miniaturized, lighter, lower cost, and more power efficient systems. However, common integrated photonic devices are too power demanding. Here, we experimentally demonstrate, for the first time, beam steering by microelectromechanical (MEMS) actuation of a suspended silicon photonic waveguide grating. Our device shows up to 5.6{\deg} beam steering with 20 V actuation and a power consumption below the $\mu$W level, i.e. more than 5 orders of magnitude lower power consumption than previous thermo-optic tuning methods. The novel combination of MEMS with integrated photonics presented in this work lays ground for the next generation of power-efficient optical beam steering systems

Parody as a post-genealogical strategy: reading Judith Butler's feminism through the lens of the philosophy of M. Foucault

Frente a las corrientes feministas claramente encuadradas en una teoría política de la igualdad o de la diferencia, la irrupción de Judith Butler en el espacio teórico del feminismo constituye, a mi modo de ver, un giro revolucionario en la historia de esta disciplina. Este carácter viene dado, principalmente, por la operación que efectúa respecto al sujeto-objeto de estudio de esta rama teórica. En este ensayo vamos a relacionar esta revolución con la asunción del método genealógico de análisis de la historia defendido por Foucault, cuya aplicación en una “arqueología del feminismo” daría lugar a nuevas estrategias políticas de resistencia ante la amenaza logofalocéntrica.Versus the currents of feminists clearly framed by a political theory of equality or of difference, the emergence of Judith Butler in the field of feminist theory constitutes, in my view, a complete revolution in the history of the discipline. This quality is derived, principally, from the turn she makes with regard to the subject-object of study in this branch of theory. In this essay I will link this revolution to the genealogical method of analysis defended by Foucault, whose application in the "archeology of feminism" will lay the groundwork for new strategies for political change and resistance against the perpetual threat of phallocentric logic

Analysis of a new nonlinear interpolatory subdivision scheme on σ quasi-uniform grids

In this paper, we introduce and analyze the behavior of a nonlinear subdivision operator called PPH, which comes from its associated PPH nonlinear reconstruction operator on nonuniform grids. The acronym PPH stands for Piecewise Polynomial Harmonic, since the reconstruction is built by using piecewise polynomials defined by means of an adaption based on the use of the weighted Harmonic mean. The novelty of this work lies in the generalization of the already existing PPH subdivision scheme to the nonuniform case. We define the corresponding subdivision scheme and study some important issues related to subdivision schemes such as convergence, smoothness of the limit function, and preservation of convexity. In order to obtain general results, we consider s quasi-uniform grids. We also perform some numerical experiments to reinforce the theoretical results.This research was funded by the Fundación Séneca, Agencia de Ciencia y Technología de la Región de Murcia grant number 20928/PI/18 and by the Spanish national research project PID2019-108336GB-I00

A piecewise polynomial harmonic nonlinear interpolatory reconstruction operator on non uniform grids—adaptation around jump discontinuities and elimination of gibbs phenomenon

In this paper, we analyze the behavior of a nonlinear reconstruction operator called PPH around discontinuities. The acronym PPH stands for Piecewise Polynomial Harmonic, since it uses piecewise polynomials defined by means of an adaption based on the use of the weighted Harmonic mean. This study is carried out in the general case of nonuniform grids, although for some results we restrict to σ quasi-uniform grids. In particular we analyze the numerical order of approximation close to jump discontinuities and the elimination of the Gibbs effects. We show, both theoretically and with numerical examples, that the numerical order is reduced but not completely lost as it is the case in their linear counterparts. Moreover we observe that the reconstruction is free of any Gibbs effects for sufficiently small grid sizes.This research was funded by the FUNDACIÓN SÉNECA, AGENCIA DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LA REGIÓN DE MURCIA grant number 20928/PI/18, and by the Spanish national research project PID2019-108336GB-I00

On the convexity preservation of a quasi C3 nonlinear interpolatory reconstruction operator on σ quasi-uniform grids

This paper is devoted to introducing a nonlinear reconstruction operator, the piecewise polynomial harmonic (PPH), on nonuniform grids. We define this operator and we study its main properties, such as its reproduction of second-degree polynomials, approximation order, and conditions for convexity preservation. In particular, for σ quasi-uniform grids with σ≤4, we get a quasi C3 reconstruction that maintains the convexity properties of the initial data. We give some numerical experiments regarding the approximation order and the convexity preservation.This research was funded by the FUNDACIÓN SÉNECA, AGENCIA DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LA REGIÓN DE MURCIA grant number 20928/PI/18, and by the Spanish national research project PID2019-108336GB-I00

Desarrollo de un sistema para la interpretación y predicción de la situación del tráfico mediante Deep Learning

La comprensión semántica de una escena es un aspecto clave en múltiples aplicaciones de inteligencia artificial, tanto para los Sistemas Inteligentes de Transporte como para los robots. En este Trabajo Fin de Máster se diseña, desarrolla y evalúa un sistema que, basado en la segmentación semántica de imágenes, obtenida mediante una red neuronal convolucional, permite realizar las distintas tareas que abarca la comprensión de una escena: clasificación, detección de objetos y la propia segmentación semántica, de una manera sencilla y eficiente. Además, proponemos una solución enfocada a vehículos inteligentes, que permite, utilizando la segmentación semántica, estimar la velocidad a la que debe circular el vehículo. Para ello, hemos construido una nueva base de datos en la que poder evaluar este nuevo problema. Los resultados confirman que es posible y beneficioso confiar en la segmentación semántica para llevar a cabo las distintas tareas.Semantic scene understanding is a key aspect of multiple artificial intelligence applications, from Intelligent Transportation Systems to robotics. In this Final Project, we design, develop and evaluate a system that, based on the semantic segmentation of images obtained through a convolutional neural network, allows to carry out the different tasks comprising scene understanding: classification, object detection and the aforementioned semantic segmentation, in a simple yet efficient manner. In addition, we propose a solution focused on intelligent vehicles, which allows us, using semantic segmentation, to estimate the speed at which the vehicle must be driven. To this end, we have built a new database in which we can evaluate this challenging new problem. The results confirm that it is possible and beneficial to rely on semantic segmentation to successfully perform the different tasks.Máster Universitario en Ingeniería de Telecomunicación (M125