Reglament del Departament de Telecomunicació i d'Enginyeria de Sistemes

Acord del Consell de Govern de 29 de setembre de 2004 i modificat per acord de 17 d'octubre de 201

A coupling matrix vision for mobile filtering devices with micro-acoustic wave technologies. A systematic approach

Con el espectro radioeléctrico cada vez más saturado, los filtros y duplexores son elementos claves de la tecnología en el mercado de dispositivos discretos para la telefonía móvil. El segmento de usuario de los sistemas de comunicaciones inalámbricas aprovecha las destacadas propiedades de los dispositivos filtrantes basados en resonadores acústicos. Generalmente, el diseño de dispositivos de onda acústica ha sido asumido por técnicas de optimización debido a las restrictivas limitaciones impuestas por la viabilidad tecnológica de los resonadores SAW y BAW, así como las exigentes especificaciones eléctricas. Una respuesta de transmisión muy restrictiva y factores tecnológicos muy limitantes conducen a hacer el diseño más y más complejo y una tarea muy desafiante. El objetivo del trabajo está enfocado en facilitar el diseño de filtros/duplexores y hacerlo más eficiente. En consecuencia, la formulación inicial del problema se ha centrado en la viabilidad tecnológica para implementar filtros de onda acústica. Proporcionar una metodología sistemática es útil para acelerar la curva de aprendizaje de nuevos diseñadores. Los filtros de microondas con elevada selectividad son posibles si sus funciones de transferencia incorporan ceros de transmisión finitos. La introducción de nodos no-resonantes (NRN) da la posibilidad de diseñar filtros con el máximo número de ceros de transmisión finitos sin tener que implementar acoplamientos directos entre la fuente y la carga. Además, las configuraciones en línea con NRN permiten la extracción de los elementos analíticamente. La típica configuración de filtro ladder presenta similitudes características de acuerdo con las redes de prototipo en línea con nodos resonantes y no-resonantes, que son las propiedades de modularidad, para controlar los ceros de transmisión con resonadores independientes, y respuestas completamente canonícas sin acoplamiento fuente-carga directo. Los elementos de la red pasobanda son dados por ecuaciones explícitas en términos de aquellos en los prototipos en línea con NRN que pueden ser sintetizados analíticamente. Como consecuencia, es posible definir una metodología de síntesis directa para obtener los parámetros pasobanda eléctricos de un filtro RF general que está basado en resonadores acústicos. Este trabajo presenta una metodología que proporciona un procedimiento de síntesis sistemático para diseñar filtros y duplexores ladder basados en resonadores de onda micro-acústica. La metodología de diseño utiliza un enfoque nodal basado en NRN y nodos resonantes. La representación de la red mediante una matriz de acoplamiento mixta de nodos resonantes y no resonantes es capaz de gestionar de forma eficiente las restricciones tecnológicas. El procedimiento es eficiente en tiempo, preciso en los resultados y proporciona un profundo entendimiento de las particulares interacciones que se producen entre las restricciones tecnológicas y el funcionamiento del dispositivo. Un completo paquete de software, con un simulador rápido, preciso y de fácil uso, ha sido desarrollado, permitiendo obtener diseños de primera etapa exitosos. Como resultado de la metodología sistemática, hemos desarrollado un método de diseño que combina y sistemáticamente gestiona redes filtrantes compuestas de bloques de polo extraído con bloques de resonadores acoplados, es decir, celdas ladder con secciones CRF. Además, la metodología has sido extendida exitosamente para tener en cuenta el diseño de divisores de potencia con respuesta filtrante por medio de dos topologías diferentes: la configuración ladder y las secciones CRF. La metodología propuesta ofrece una solución que combina el completo cumplimiento de las máscaras de espectro con topologías preparadas para acomodar las restricciones tecnológicas de la tecnología micro-acústica. La metodología ha sido desarrollada orientada nativamente a gestionar la tecnología, como es el ajuste de la limitación en el acoplo electromagnético, y basada en fundamentos de síntesis rigurosos.With a spectrum more and more overcrowded, filters and duplexers are drivers of the technology in the discrete device mobile market. The user segment of wireless communication systems takes profit of the outstanding performance of filtering devices based on acoustic resonators. Usually, the design of acoustic wave devices have been mainly entrusted to optimization techniques because the stringent constraints imposed by the technological feasibility of SAW and BAW resonators and the challenging electrical specifications. A stringent transmission response and very restrictive technological factors lead the design to a more and more complex and challenging task. The aim of the work is focused on easing the filters/duplexers designs and making it more efficient. Consequently, the initial formulation of the problem was focused on the technological feasibility of acoustic wave filters. Providing a systematic methodology is useful to accelerate the learning curve of new entrant designers. Microwave filters with high selectivity are possible if their transfer functions incorporates finite transmission zeros. The inclusion of non-resonant nodes gives the possibility of designing filters with the maximum number of finite transmission zeros without implementing direct couplings between source and load. Furthermore, inline configuration with NRN allows the extraction of the elements analytically. The common ladder filter configuration exhibits characteristic similarities regarding inline prototype networks with resonant and non-resonant nodes, which are the property of modularity, to control transmission zeros by independent resonators, and fully canonical response without a direct source-load coupling. The elements of the lowpass prototype are given by explicit equations in terms of those in in-line prototypes with non-resonating nodes that can be synthesized analytically. As a consequence it is possible to define a direct synthesis methodology to obtain the bandpass electric parameters of a general RF filter that is based on acoustic resonators. This work presents a methodology that provides a systematic synthesis procedure for designing ladder filters and duplexers based on acoustic wave resonators. The methodology uses a nodal approach based on resonating and non-resonating nodes. The coupling matrix representation with a mix of different nature nodes, resonant and non-resonant, is able to efficiently manage the technological restrictions. The procedure is time efficient, precise in the outcomes and provides a deep understanding of the particular interactions between technological constraints and device performance. A complete software package with fast, accurate and easy-to-use simulator has been developed, enabling starting point design success. As a result of the systematic methodology, we have developed a design method that combines and systematically manages a filtering network composed of extracted-pole blocks with coupling resonators blocks, so it is ladder cells with CRF sections. Moreover, the methodology has been successfully extended to take into consideration filtering power dividers by means of two different topologies: ladder configuration and CRF sections. The proposed methodology offers a solution that combines a complete spectrum fulfillment with topologies ready to accommodate technological constraints of micro-acoustics technologies. The methodology has been developed natively oriented to manage with the technology, such as accommodating electromechanical coupling constraints, leveraged in rigorous synthesis foundations

Communications in wireless sensor networks : compression, energy efficiency and secrecy /

Les xarxes de sensors sense fils (WSNs) han esdevingut un dels sistemes de comunicació amb més projecció d'aquesta dècada. Abasten una àmplia varietat d'aplicacions tals com la monitorització del medi ambient, la predicció de desastres naturals, en medicina, en transport, posicionament en interiors, i tasques militars. Els nodes que composen la xarxa, són típicament de baix cost, cosa que atorga una sèrie de limitacions en termes d'energia, velocitat de càlcul i d'ample de banda. Amb els avenços de les comunicacions sense fils i la creixent demanda de noves i més complexes aplicacions, les WSNs s'han d'optimitzar per tal de minimitzar aquestes limitacions. Aquesta tesi proposa un conjunt de tècniques que proporcionen a una WSN les següents característiques: 1.Implementació distribuïda sense necessitat de senyalització entre nodes sensors. 2.Comunicacions energèticament eficients. 3.Poca complexitat als nodes sensors. 4.Empra pocs recursos (temps, ample de banda, etc.) 5.Presenta un error quadràtic mig baix en reconstrucció al receptor. 6.Comunicacions secretes a capa física. Primer, s'estudia la transmissió seqüencial de mostreig reduït. Aquesta tècnica permet la disminució del nombre de transmissions i, per tant, reduir la despesa energètica associada a la comunicació a la xarxa. En particular, s'estudia el rendiment dels codificadors determinístics, probabilístics i condicionals de mostreig reduït per senyals autoregressius. S'obtenen expressions tancades de l'error quadràtic mig pel cas de mostreig reduït determinístic i probabilístic, mentre que pel cas condicional es deriven aproximacions ajustades. A continuació, s'analitza la compressió de la informació per WSNs grans. Pel cas on els paràmetres de correlació del senyal són desconeguts a priori, es proposen dos estimadors millorats: i) un per la predicció emprant el filtre de Wiener i ii) un per l'error quadràtic mig obtingut. Ambdós estimadors s'empren pels dos passos claus de l'algorisme de codificació distribuïda de canal. Aquests estimadors milloren notablement el rendiment de l'algorisme en comparació amb els estimadors de mostres clàssics, especialment quan la dimensió del vector d'observacions és comparable en magnitud amb el nombre de mostres usades a la fase d'entrenament de l'algorisme. Posteriorment, es proposa un esquema de comunicació distribuïda i energèticament eficient anomenat Amplify-and-Forward Compressed Sensing. Aquest esquema es basa en la tècnica de sensat comprimit i aprofita la correlació existent al senyal rebut per tal de reduir tant el nombre de recursos emprats com les despeses energètiques del sistema. Específicament, el sistema es dissenya seguint una funció de cost que controla el compromís existent entre error quadràtic i consum energètic de la xarxa. Per aconseguir aquest disseny, es deriva un model simple que aproxima el rendiment de l'esquema proposat en termes d'error quadràtic mig. A més, es contribueix a la teoria de sensat comprimit amb una nova i més ajustada relació entre el mínim nombre de mesures necessàries donades unes determinades propietats del senyal. Finalment, s'estudia l'esquema proposat Amplify-and-Forward Compressed Sensing des d'un punt de vista de secretisme a capa física. Es demostra que aquest esquema assoleix secretisme perfecte sota la presència d'un o d'un grup reduït d'espies, mentre que per un nombre més gran, és possible deteriorar notablement les seves capacitats d'espionatge gràcies a una tècnica proposta especialment dissenyada per introduir un extra d'incertesa solament a l'estimació dels espies.Wireless Sensor Networks (WSNs) have emerged as one of the most promising wireless communication systems in the last decade. They can be used in a wide variety of applications such as environmental monitoring, natural disaster prediction, healthcare, transportation, indoor positioning, and military tasks. The cost and the complexity of the nodes within a WSN are typically low, which results in constraints such as energy limitation, low computational speed, and reduced communication bandwidth. With the advances in wireless communications and the growing demand of new and more complex applications, WSNs must be optimized in order to overcome their intrinsic limitations in terms of complexity and power. In this dissertation, and according to these constraints, we propose a set of techniques that provide to a WSN the following interesting features: 1. Distributed operation without the need of signaling among sensing nodes. 2. Energy-efficient communications. 3. Low complexity at the sensing nodes. 4. Low resource (i.e., bandwidth, time, etc.) utilization. 5. Low distortion level at the receiver. 6. Secret communications at the physical layer. First, we study the zero-delay downsampling transmission. This technique allows the system to reduce the number of transmissions and hence decrease the total energy spent. In particular, we study the performance of deterministic, probabilistic and conditional downsampling encoding-decoding pairs for the case of the autoregressive signal model. We obtain closed form expressions for the quadratic error of the deterministic and probabilistic encoder-decoders, while accurate approximations are derived for the quadratic error of the conditional downsampling schemes. Second, we analyze data compression applied to large WSNs. For the realistic case where the correlation parameters are not known a priori, we obtain two enhanced correlation estimators: i) one for the linear Wiener filter vector and ii) one for the achieved mean square error. Both estimators are employed in the two key steps of the distributed source coding algorithm. These estimators notably improve the performance of the algorithm in comparison to the application of classical sample estimators, specially when the dimension of the observation vector is comparable in magnitude to the number of samples used in the training phase. Then, we propose a distributed and energy-efficient communication scheme named Amplify-and-Forward Compressed Sensing. This scheme is based on compressed sensing and exploits the correlation present in the signal in order to reduce both the resource utilization and the energy consumption. More specifically, the system is designed according to a cost function that controls the trade-off between the quadratic error in the reconstruction and the energy consumption of the network. In order to aid the system design, a simple model that accurately approximates the performance of the proposed scheme in terms of the quadratic error has been derived. Furthermore, we contribute to the compressed sensing theory with a tighter relationship between the minimum number of measurements that are required for a given network dimension and the sparsity level of the transmitted signal. Finally, the proposed Amplify-and-Forward Compressed Sensing scheme is also studied in terms of secrecy and wiretap distortion at the physical layer. It is shown that the proposed scheme is perfectly secret in the presence of one or even a small group of eavesdroppers whereas for a larger eavesdropping set, it is still possible to notably deteriorate its espionage capabilities thanks to a proposed technique specifically designed to introduce extra uncertainty only in the channel estimation of the eavesdroppers

Hybrid algorithms for solving routing problems

Un component important de molts sistemes de distribució és el càlcul de les rutes dels vehicles per servir els clients. El Vehicle Routing Problem (VRP) proporciona el marc teòric per tractar aquest tipus de problemes logístics relacionats amb la distribució física de béns. Per la seva complexitat i aplicabilitat, aquest tipus de problemes logístics es troba entre les línies de recerca més populars en optimització combinatòria. Aquesta tesi de doctorat té com a objectiu la introducció de tres metodologies diferents per resoldre el VRP. Aquestes metodologies han estat especialment dissenyades per ser flexibles, en el sentit que poden ser utilitzades, amb adaptacions menors, per resoldre diferents variants del VRP presents en casos d'aplicació industrial. En les tres metodologies descrites en aquest treball s'utilitzen diferents tècniques per aconseguir la flexibilitat, l'eficiència i la robustesa desitjades. Constraint Programming (CP) ha estat escollit com a paradigma de modelat per descriure les principals restriccions presents en el VRP. CP proporciona la flexibilitat desitjada per les tres metodologies, atès que afegir restriccions addicionals presents en molts casos d'aplicació real només afecta al modelat del problema, però no a la definició dels algorismes de cerca. En les dues primeres metodologies descrites, el model de CP només s'utilitza per comprovar la factibilitat de les solucions durant la cerca. La tercera metodologia presenta un model més ric del VRP que permet tractar diferents variants del problema. En aquest cas, la cerca es realitza i es controla fent servir els mecanismes que CP proporciona. La Relaxació Lagrangiana (LR) i una versió probabilística de l'heurística Clarke and Wright Savings (RCWS) s'utilitzen amb una finalitat molt específica dins de les metodologies. LR s'utilitza per minimitzar la distància total recorreguda pels vehicles, mentre que la RCWS es fa servir per calcular una solució inicial de bona qualitat. Ambdós mètodes proporcionen una aproximació eficient als problemes respectius. A més, la utilització de LR permet reduir la complexitat computacional dels processos de cerca local i, d'aquesta manera, redueix el temps computacional necessari per resoldre el VRP. Totes les metodologies es basen en la metaheurística coneguda com Variable Neighborhood Search (VNS). El VNS està format per una família d'algorismes que aprofiten sistemàticament la idea de canviar el veïnat explorat al voltant d'una solució, tant en el procés de cerca per trobar un mínim local com en el procés de pertorbació, per escapar de la vall corresponent. Malgrat que és un mètode bastant estès, hi ha pocs exemples d'aplicació en el VRP. En tot cas, fins i tot els mètodes VNS més simples han aconseguit bons resultats quan han estat aplicats en aquest problema. Aquesta tesi té com a objectiu contribuir en la recerca de l'aplicació de la metaheurística VNS en el VRP. Aquesta ha estat escollida com a marc en el que integrar les tècniques mencionades. Així, la metaheurística s'utilitza per guiar la cerca, mentre que l'eficiència desitjada s'aconsegueix mitjançant els mètodes que s'hi integren. D'altra banda, utilitzar CP com a paradigma de modelat proporciona la flexibilitat requerida. Aquesta característica és especialment rellevant en el cas de la darrera metodologia descrita. En aquest cas, la cerca de CP es guia mitjançant una combinació de les metaheurístiques VNS i Large Neighborhood Search (LNS). Aquesta metodologia representa una primera aproximació a la resolució eficient de problemes VRP més complexos, similars a casos d'aplicació real.An important component of many distribution systems is routing vehicles to serve customers. The Vehicle Routing Problem (VRP) provides a theoretical framework for approaching this class of logistics problems dealing with physical distribution. Because of its complexity and applicability, this class of logistics problems is among the most popular research areas in combinatorial optimization. This PhD. Thesis is aimed to introduce three different yet related hybrid methodologies to solve the VRP. These methodologies have been especially designed for being flexible in the sense that they can be used, with minor adaptations, for solving different variants of the VRP present in industrial application cases. In the three methodologies described in this work, different technologies are used to achieve the desired flexibility, efficiency, and robustness. Constraint Programming (CP) has been chosen as the modeling paradigm to describe the main constraints involved in the VRP. CP provides the pursued flexibility for the three methodologies, since adding side constraints present in most real application cases becomes a modeling issue and does not affect the search algorithm definition. In the first two hybrid methodologies, the CP model is used to check solution's feasibility during search. The third methodology presents a richer model for the VRP capable of tackling different problem variants. In this case, the search is performed and controlled from a CP perspective. Lagrangian Relaxation (LR) and a probabilistic version of the Clarke and Wright Savings (CWS) heuristic are used for specific purposes within the proposed methodologies. The former is used for minimizing the total traveled distance and the latter to provide a good initial solution. Both methods provide an efficient approach to the respectively faced problems. Moreover, the use of LR permits reducing the computational complexity of the performed local search processes and therefore reduces the required computational time to solve the VRP. All methodologies are based on the so-called Variable Neighborhood Search (VNS) metaheuristic. The VNS is formed by a family of algorithms that exploits systematically the idea of neighborhood changes both in the search phase to find a local minimum, and in perturbation phase, to escape from the corresponding valley. Although it is an extended method, there are few examples of its application to the VRP. However, interesting results have been obtained even applying the simplest VNS algorithms to this problem. The present thesis is aimed to contribute to the current research on the application of the VNS metaheuristic to the VRP. It has been chosen as the framework where the mentioned techniques are embedded. Hence, the metaheuristic is used to guide the search, while the desired efficiency is provided by the composing methods. On the other hand, using CP as the modeling paradigm provides the required flexibility. This characteristic is enhanced in the last described methodology. In this case, the CP search is guided by a combination of the VNS and the Large Neighborhood Search (LNS) metaheuristics. This methodology represents an initial approach for tackling efficiently more complex and richer VRP, similar to real application cases

Network coding for multi-beam satellite systems

La última década ha presenciado una constante y creciente demanda para la distribución eficiente de contenidos personalizados a través de Internet sobre redes conocidas por su alto consumo de throughput. El diseño de las nuevas redes satelitales debe tener en cuenta estas demandas mediante soluciones tecnológicas innovadoras para seguir compitiendo con las redes terrestres actuales, que están evolucionando rápidamente. El objetivo principal de esta tesis es identificar estas soluciones para mejorar el throughput ofrecido en sistemas de satélite multi-beam, la principal tecnología habilitando sistemas de satélite de alto throughput. Se ha propuesto conseguir este objetivo mediante métodos de transmisión alternativos al típico reúso de frecuencia y mejorando los mecanismos lógicos basándose en network coding (NC), un nuevo paradigma de networking también bajo estudio por los homólogos terrestres 5G y Wi-Fi. Las contribuciones principales de esta tesis son las siguientes. Primero, el desarrollo de un modelo (analítico) unificado de sistemas de satélite multi-beam. El modelo sirve para el diseño y análisis de una variedad de sistemas multi-beam habilitando una comparación eficiente de las nuevas soluciones tecnológicas en términos de throughput. Segundo, el desarrollo de un esquema de transmisión completo basado en NC para el forward downlink de sistemas multi-beam con capa física adaptativa, un elemento común en las capas bajas de los sistemas satelitales. El esquema propuesto obtiene ganancias en multicast throughput de hasta el 88% usando los mismos recursos que esquemas de multicast tradicionales, sin embargo un receptor más complejo, aunque realista, es necesario. Tercero, un segundo diseño completo de un esquema de transmisión basado en NC, esta vez combinado con spatial diversity (SD). Este esquema es particularmente útil cuando el forward uplink de sistemas de satélite multi-beam se ve afectado por altas pérdidas de paquetes, aprovechando los múltiples y geográficamente distribuidos gateways (GWs). El diseño consigue mejoras en system outage probability de hasta un orden de magnitud para un número suficientemente grande de GWs. Además se propone una metodología para derivar el número óptimo de GWs y code rate.The last decade has witnessed a constant and increasing demand for the efficient distribution of personalized contents on the Internet over networks known to be highly throughput consuming. Design of upcoming satellite networks must address such demands with powerful new technological solutions in order to compete with the rapidly evolving terrestrial networks. The main objective of this thesis is to identify such solutions in order to enhance the offered throughput in multi-beam satellite systems, the main technology enabling High Throughput Satellite (HTS) systems. This objective is proposed to be achieved via alternative transmission schemes to the conventional frequency re-use and improved logical mechanisms based on Network Coding (NC), a new networking paradigm also being under consideration in the 5G and Wi-Fi terrestrial counterparts. The main contributions of this thesis are the following. First, a unified multi-beam satellite analytical system model has been developed. The model serves for the design and analysis of a large number of satellite systems enabling efficient comparison of the new technological solutions in terms of throughput. Second, a full design of a transmission scheme based on NC for the forward downlink of multi-beam satellite systems operating over an adaptive physical layer, a common feature on the lower layers of satellite systems. The proposed scheme shows multicast throughput gains of up to 88% employing the same amount of resources as traditional multicast schemes at the cost of a more complex but still realistic receiver. Third, a second full design of a transmission scheme based on NC, this time combined with Spatial Diversity (SD) and novel cognitive design elements. This scheme is particularly useful when severe packets losses impair the forward uplink of multi-beam satellite systems so that geographically distributed Gateways (GWs) can be jointly exploited. The design is shown to achieve more than one order of magnitude system outage probability advantage for a sufficient number of GWs. Furthermore, a methodology determining the optimal number of GWs and code-rate is derived

RF filters and multiplexers based on acoustic wave technologies with ladder-type and cross-coupled topologies : designing under a systematic strategy /

La tecnologia mòbil ha emergit com la plataforma de major èxit per a la implantació de serveis innovadors i aplicacions d'usuari tant des d'un punt de vista tecnològic com econòmic. Els dispositius mòbils estan modificant els hàbits de comportament de les persones i veiem contínuament com, en aquest sentit, la nostra societat millora dia a dia. Amb la xarxa 4G en ple procés de desplegament i els futurs estàndards 5G en ple desenvolupament, la demanda global per al servei de dades de banda ampla ha estat sotmesa a un cicle de creixement imparable. I continuarà així alimentat per la ubiqüitat del servei, segons les previsions del Cisco. El més important ́es que aquest creixement indubtablement demostra la importància de la banda ampla per als ciutadans, la societat i l'economia, mentre dibuixa un gran repte als proveïdors de serveis de xarxa. L'objectiu d'aquest treball està centrat en el desenvolupament de tècniques de síntesi per al disseny de dispositius filtrants basats en tecnologies micro-acústiques, enfocant així el gran repte de gestió de l'espectre freqüencial en el segment d'usuari. En general, el disseny d'aquest tipus de dispositius es basa en tècniques d'optimització degut a les rigoroses limitacions imposades per la viabilitat tecnològica dels ressonadors acústics, així com a les exigents especificacions de rendiment del dispositiu. És per aquests motius que el disseny i fabricació de filtres i duplexors basats en tecnologia acústica creen un gran repte cada cop més difícil d'assolir. En aquest treball es proporcionen metodologies sistemàtiques enfocades en millorar i fer més eficient el disseny de dispositius filtrants basats en ressonadors acústics. El més important durant el disseny de filtres i duplexors basats en tecnologia acústica ́es que els ressonadors siguin viables tecnològicament. Les diferents metodologies presentades en aquest treball són útils per a la síntesi de topologies en escalera o xarxes amb acoblaments creuats on la viabilitat tecnològica ́es un requisit indispensable en totes les solucions proporcionades. El coeficient d'acoblament de cada ressonador, les freqüències de ressonància, el factor de qualitat, l'energia emmagatzemada, o l'àrea del xip son paràmetres que es tenen en compte durant el disseny d'aquest tipus de dispositius. Mitjançant les tècniques de síntesi proporcionades en aquest treball, no només es controlen analíticament aquestes restriccions, sinó que s'obtenen resultats òptims en el mínim temps i cost computacional. L'ús d'aquestes tècniques, a més, permet un control dels paràmetres de fase essencial per al disseny de multiplexors, els quals estan en el punt de mira com a dispositiu indispensable dins les capçaleres dels futurs sistemes sense fils preparats per treballar amb el protocol de Carrier Aggregation dins els estàndards 4G-Advanced i 5G. Dispositius filtrants, duplexors i multiplexors viables tecnològicament i complint amb les especificacions de màscara freqüencials són resultat de l'ús de les metodologies proposades en aquest treball.The mobile technology has emerged as the most successful platform for the introduction of innovative services and user applications from both a technological and economical perspective. Mobile devices are changing the habits of the people and it is possible to see how, in this sense, our society is continuously improving. With the 4G network in process of deployment and the future 5G standards under development, global demand for broadband data services has been subjected to a series of unstoppable growth. And it will continue increasing pushed by the ubiquity of the service, according to Cisco's forecasts. The most important is that this growth undoubtedly demonstrates the importance of broadband services for the people, society, and economy, while it is drawing a major challenge for the network service providers. The aim of this work is to develop synthesis techniques for the design of filtering devices based on micro-acoustic technologies, focusing therefore the great challenge of frequency spectrum management in the user segment. In general, the design of these filtering devices is based on optimization techniques because of the stringent requirements imposed by the technological feasibility of acoustic resonators and the tight performance specifications of the device. For this reason, the design and manufacture of filters and duplexers based on acoustic resonators becomes a huge challenge increasingly difficult to achieve. In this work, systematic methodologies are presented in order to improve and make more efficient the design of filtering devices based on micro-acoustic technologies. The most important consideration during the synthesis of filters and duplexers is that the resonators must be technologically feasible. The methodologies presented in this work are useful for the design of ladder-type filters and cross-coupled prototypes in which the technological feasibility is an essential requirement for all the provided solutions. The effective coupling coefficient of each resonator, the resonant frequencies, the quality factor, the stored energy, or the chip size are parameters to consider during the design of micro-acoustic filters. By means of the techniques provided in this work, all these restrictions are analytically managed, and optimum results are obtained with a minimum time and computational effort. Moreover, the use of these synthesis techniques allows the control of the phase parameters, which are essential for the design of multiplexer devices. These are considered the main device for the future radio-frequency front-end modules ready to work with Carrier Aggregation and the 4G-Advanced and 5G standards. Stand-alone filtering devices, duplexers, and multiplexers, ready to accommodate the micro-acoustic technological requirements and satisfying the frequency mask specifications, as long as possible, are the result of the proposed methodologies in this work

Causal models for performance evaluation of added-value operations

La presente tesis doctoral se presenta en forma de compendio de publicaciones, en la cual se han desarrollado diversos Modelos Causales para ayudar en la toma de decisiones usando como herramienta principal las relaciones causa-efecto inherente del sistema. A continuación se describen brevemente los artículos incluidos en la tesis doctoral El artículo titulado "A CD&CR causal model based on path shortening/path stretching techniques" publicado por la revista Transportation Research Part C: Emerging Technologies esta enfocado hacia la investigación académica de alto nivel que aborda el desarrollo, las aplicaciones y consecuencias, de las nuevas tecnologías en el campo del transporte. El enfoque del modelo causal desarrollado en Redes de Petri Coloreadas aportan no solo una metodología innovativa per se, sino que su aplicación e implicaciones en la etapa de planificación, diseño, y gestión, es de particular interés en el rendimiento general del sistema de transporte aéreo. En artículo titulado "Revisiting the pallet loading problem using a discrete event system approach to minimise logistic costs" publicado en la revista International Journal of Production Research (IJPR) se presenta un modelo orientado a eventos discretos para abordar el Problema del Palletizado (PLP) usando como formalismo de especificación las Redes de Petri Coloreadas. El problema de Paletizado conforma una parte fundamental en el flujo logístico de diversos sistemas de transporte (terrestre o aéreo), siendo un factor clave en etapas aguas arriba (e.g. producción) y abajo del sistema (e.g. distribución). El trabajo presenta una novedosa forma de modelado con una importante mejora de los kPI's respecto a los actuales entornos comerciales, soportando tanto diferentes heurísticas así como su integración con el sistema para encontrar configuraciones óptimas para el acomodo de cajas con una tipología diversa. El artículo denominado "Integrating and sequencing flows in terminal maneuvering area by evolutionary algorithms," publicado por la IEEE/AI12 en el Digital Avionics Systems Conference (DASC), 2011 presenta una aproximación innovadora para aliviar el problema de congestión en el espacio aéreo terminal (terminal maneouvering área). En este artículo se analiza un procedimiento alternativo para la integración y secuenciación de las aeronaves en la fase de aterrizaje. El artículo ha recibido diversas menciones tal como el mejor artículo de la sesión, mejor artículo en la sección de mejoras a la capacidad del sector aéreo y mejor artículo de estudiante. Estas menciones indican la importancia y trascendencia de dicho trabajo donde se utilizan algoritmos desarrollados para la optimización de sistemas altamente complejos como es el espacio aéreo terminal. El artículo que lleva por nombre "A TMA 4DT CD/CR causal model based in path shortening/path stretching techniques", publicado en el International Conference on Research in Air Transportation - ICRAT 2010, ha recibido la mención Best paper award reconociendo las aportaciones del trabajo presentado. El modelo desarrollado en Redes de Petri Coloreadas para la solución de conflictos entre aeronaves presenta resultados experimentales validados mediante simuladores de vuelo de la compañía Aireuropa que permiten validar las trayectorias obtenidas mediante el modelo desarrollado. Finalmente, el articulo Causal model to sequence and merge 4DT flows in TMA, se encuentran publicados en las memorias del International Conference on Application and Theory of Automation in Command and Control Systems ATTACS2011 donde se presenta un algoritmo de solución para la secuencializacion y fusión de flujos de aterrizaje de aeronaves donde se muestra el gran potencial para mejorar de la toma de decisiones usando el espacio de estados de los modelos de RdPC.The present PhD thesis report has been elaborated as a compendium of publications, in which diverse Causal Models have been developed to assist in the decision making process using a cause-effect relationship approach inherent in the system. A brief description of the items included in the doctoral thesis. The document is organized in four different parts. First, the Chapter called "Basic Notions" introduces the basic notions and a general perspective on the systems approach. Particular interest has been placed in the Discrete-Event Systems approach, presenting the main features of this formalism. The main theory behind the Coloured Petri Nets approach is presented in Section 2.1.1 Different case studies are provided from Chapters 3 to 5. Chapter 3 presents the work named "A CD&CR causal model based on path shortening/path stretching techniques", which has been accepted for publication in the Journal Transportation Research Part C: Emerging Technologies. This work depicts a groundbreaking approach to alleviate the airspace congestion and to deal with the implications for the planning, design, and management of Air Traffic Control operations. Particular interest has been placed Terminal Manoeuvring Area (TMA) where the traffic conditions impose to take time-critical decisions. Therefore, an appropriate management of arrival operations could alleviate congestion which impacts directly in capacity and efficiency of the overall Air Traffic Management operations. To evaluate the performance of the the resolution strategy to avoid non-efficient procedures, diverse scenarios have been tasted in a busy traffic period at Gran Canaria's airport. The result obtain contribute with the planning and management of Air Traffic Control operations to increase the overall predictability of the Air traffic, with benefit to airlines and airports, among others. Chapter 4 corresponds to the article "Revisiting the pallet loading problem using a discrete event system approach to minimise logistic costs" published in the International Journal of Production Research (IJPR). This work presents an innovative and challenging modelling approach to optimize the space and distribution of boxes into a pallet, supporting the inherent box diversity (heterogeneous palletizing problems) of present production and distribution logistic systems. The space utilization is modelled as squares that can be fragmentise and de-fragmentise. In a first approach, the state space analysis is performed to evaluate different optimal configurations to load the maximum number of boxes on a rectangular pallet. The second approach implements heuristics to show that acceptable occupancy results can be obtained without requiring the exhaustive evaluation of the different feasible combination. Chapter 5 introduces the work "Integrating and sequencing flows in terminal maneuvering area by evolutionary algorithms" in proceeding of the IEEE/AIAA en el Digital Avionics Systems Conference (DASC), 2011. This work has received three mentions: Best student paper award; Best paper in the ATM Capacity Improvements track award; y Best paper of session award which confirm the transcendence and implications of such approach. This chapter presents a new approach to optimize a set of aircraft planned to land at a given airport. It is proposed to merge the incoming flows from different routes by mean of speed and path changes. Those changes aim to remove conflicts at merging points and to maintain separation of aircraft following the same route link according to their wake turbulence constraint. The optimization criteria are based on the minimum deviation from the initial path planning. This algorithm has been successfully applied to Gran Canaria airport in Spain with real traffic demand samples for which conflict free flow merging is produced smoothly with optimal runway feeding. Finally, Chapter 5 contains the overall conclusions, future work, summary of contributions and complementary publications on the author. The work presented in annex called "Causal model to sequence and merge 4DT flows in TMA" summarizes the development of a decision support algorithm to tackle the merging and sequencing problem within the Terminal Manoeuvring Area (TMA) sector. The algorithm works with multiple landing traffic flows that share the airspace in the same time window. A flexible terminal area route structure is proposed; it eliminates conflicts within the Standard Terminal Arrival (STAR) while traffic is merged prior converging on to the final approach. As a first instance the first come first serve (FCFS) sequence policy will be tasted and later on the sequence will be altered by means of the Constrained Position Shifting (CPS) algorithm. Gran Canaria STAR is used to evaluate the benefits of the proposed model under synthetic traffic; and to determine the spacing buffers the ICAO Separation minima (ICAO DOC-4444) criteria is used as on current methodology. Finally, in Annex, the paper "A TMA 4DT CD/CR causal model based in path shortening/path stretching techniques" introduces the basic ideas behind a discrete event model for Conflict Detection and Conflict Resolution algorithm in a TMA 4D trajectory scenario in presented which focuses mainly on the arrival phase. This model brings a very interesting knowledge about the events that take place in the management of 4DT and their interactions in Gran Canaria TMA to remove non-effective operations, avoid delay propagation between arrivals and optimize the occupancy of the runway. The causal model developed considers different alternative predefined turning points for each flight evaluating path shortening/path stretching of all trajectories upwards the merging point in a TMA

Evaluation of the LTE positioning capabilities in realistic navigation channels

En comunicaciones móviles, los avances de nuevas tecnologías están principalmente impulsados por el incremento en las velocidades de transmisión. Uno de estos avances es el uso de señales multiportadora que permiten una distribución flexible y eficiente de recursos en tiempo y frecuencia. Diversos sistemas utilizan esta característica para combinar funcionalidades de comunicaciones con posicionamiento, debido a la creciente demanda de servicios de datos y localización en dispositivos móviles. Sin embargo, la principal degradación en interiores y escenarios urbanos se produce por el efecto del canal multicamino, que induce un considerable sesgo en la estimación de distancias. Por lo tanto, es necesario contrarrestar el multicamino para alcanzar el máximo rendimiento en posicionamiento. Esta tesis aborda el potencial de las señales multiportadora en comunicaciones móviles para la estimación de distancias en canales severos, caracterizados por denso multicamino. Para ello, se considera el caso práctico del estándar de comunicaciones Long Term Evolution (LTE). Este estándar es de especial interés ya que define una señal multiportadora OFDM dedicada para posicionamiento mediante diferencias en los tiempos de llegada observados (OTDoA), llamada señal de referencia de posicionamiento (PRS). Por lo tanto, la primera parte de la tesis evalúa la precisión de posicionamiento alcanzable utilizando la PRS en LTE con receptores convencionales, como el filtro adaptado o las técnicas basadas en la correlación. La contribución principal de la tesis se encuentra en la segunda parte, con la introducción de la estimación conjunta del tiempo de retardo y la respuesta del canal. Ésta es una solución óptima para señales multiportadora, ya que la estimación de canal se puede implementar fácilmente en el dominio frecuencial. Sin embargo, la mayoría de los algoritmos de estimación conjunta se centran en aplicaciones de comunicaciones, sin considerar la precisión extrema de la estimación de retardo requerida para posicionamiento. Por lo tanto, en esta tesis se propone una innovadora parametrización del canal para caracterizar el multicamino cercano. Este modelo de estimación de canal se basa en el tiempo de retardo y términos equiespaciados junto a un término arbitrario, con una posición variable entre los dos primeros términos equiespaciados. Este nuevo método híbrido se adopta en el estimador de máxima verosimilitud conjunto (JML) del tiempo de retardo para mejorar la estimación de la distancia en presencia de multicamino cercano. La optimalidad del estimador se confirma ya que su varianza alcanza la cota de Cramér-Rao. El rendimiento de este estimador de distancias se compara con los estimadores convencionales en condiciones realistas de navegación. Estas condiciones se caracterizan mediante modelos de canal estándar adoptados en LTE, ruido Gaussiano blanco aditivo (AWGN) y los anchos de banda de LTE. Los resultados en las estimaciones del tiempo de retardo se utilizan para determinar el orden óptimo del modelo de los estimadores, y para evaluar la máxima precisión en la estimación de distancias. Se muestra una mejora importante mediante el estimador JML propuesto en entornos con multicamino cercano. En la última parte de la tesis, el objetivo es validar el rendimiento del estimador de distancias con señales LTE reales. Para ello, se desarrolla un receptor software-defined radio (SDR) para el posicionamiento OTDoA en LTE. Se utiliza un escenario preliminar con cuatro estaciones base sincronizadas para validar el sistema de posicionamiento. A continuación, se obtiene la envolvente del error producido por multicamino (MPEE) en los estimadores JML para los casos de señal emulada y simulada. El trabajo se completa con la validación del rendimiento del nuevo estimador conjunto de distancias, utilizando el receptor SDR en un canal urbano emulado. Los resultados obtenidos muestran la mejora en la precisión de las distancias del nuevo estimador en canales de navegación realistas.The provision of high-data rates leads the advances of new technologies in mobile communications. One of these advances is the use of multicarrier signals that allow a flexible allocation of resources in time and frequency, thus the spectrum can be efficiently shared for different applications. This feature is used by several systems to combine communications and positioning capabilities, due to the increasing demand of data and location services. However, the main impairment in indoor and urban scenarios is the effect of the multipath channel, which induces a considerable bias on the ranging estimation. Thus, countermeasures against multipath are necessary to achieve the ultimate positioning performance. This thesis deals with the ranging capabilities of multicarrier signals in mobile communications over harsh environments, characterized by dense multipath. For this purpose, the practical case of the Long Term Evolution (LTE) mobile communications standard is considered. The LTE standard is of special interest because it defines an OFDM multicarrier signal dedicated to support the observed time difference of arrival (OTDoA) positioning, which is based on ranging estimates with respect to the reference base stations. This pilot signal is called positioning reference signal (PRS), and it is used for time-delay estimation (TDE) in the procedure to locate the mobile device. Thus, the first part of the thesis is aimed to assess the achievable localization capabilities of LTE conventional receivers, e.g. matched filter or correlation-based techniques, using the PRS. Despite the inter-cell interference can be mostly removed by the coordinated transmission of the PRS, multipath notably degrades the positioning accuracy of these conventional estimators. The main contribution of this thesis is provided in the second part, by introducing the joint estimation of time delay and channel response. This is an optimum solution for multicarrier signals, due to the straightforward implementation of the channel estimation in the frequency domain. However, most of the joint estimation algorithms are focused on communication applications, without considering the extreme accuracy of the TDE required for positioning. Thus, a novel channel parameterization is proposed in this thesis to characterize close-in multipath. This channel estimation model is based on the time delay and equi-spaced taps together with an arbitrary-tap with variable position between the first two equi-spaced taps. This new hybrid approach is adopted in the joint maximum likelihood (JML) time-delay estimator to improve the ranging performance in the presence of short-delay multipath. The optimality of this estimator is confirmed because its variance attains the Cram\'er-Rao bound. The ranging performance of this estimator is then compared to conventional estimators in realistic navigation conditions. These conditions are characterized by standard channel models adopted in LTE, additive white Gaussian noise (AWGN) and the LTE signal bandwidths. The resulting time-delay estimations are used to determine the optimum model order of the estimators, and to assess the achievable ranging accuracy. A notable improvement is shown by the JML estimator proposed in close-in multipath scenarios. In the last part of the thesis, the goal is to validate the ranging performance of the proposed estimator using real LTE signals. For this purpose, a software-defined radio (SDR) receiver is developed for OTDoA positioning in LTE. A preliminary scenario with four synchronized base stations is used to validate the positioning engine. Then, the multipath error envelope (MPEE) of the JML estimators is obtained for the emulated and simulated signal cases. The work is completed with the validation of the ranging performance of the new JML time-delay and channel estimator, by using the SDR receiver in an emulated urban channel. The results obtained show the improvement on the ranging accuracy of the new JML estimator over realistic navigation channels

Direct bandpass methodology for synthesis and design of stand-alone filters and duplexers based on acoustic wave technologies

Hoy en día, constantes exigencias del usuario han llegado a ser el motor del progreso tecnológico. La evolución de los teléfonos móviles y de los estándares de telecomunicaciones es un claro ejemplo de rápido avance tecnológico que continúa mejorando. Actualmente, es imposible imaginar nuestra vida sin un teléfono móvil. Gracias al desarrollo de Internet móvil, ahora tenemos variedad de oportunidades sin límites. Para mantener el nivel de intercambio de datos cada vez mayor, la alta velocidad, la latencia reducida y los servicios de banda ancha se han convertido en los objetos de constante mejora tecnológica. Emergido estándar de red 4G en el estado de difusión y próximo estándar 5G requerirán una mejora aún más desafiante de estas características clave, afectando a todo el dispositivo móvil, pero especialmente a los sistemas de filtrado. El objetivo principal de esta tesis es proporcionar técnicas avanzadas de síntesis para diseño de filtros de topología en escalera, duplexores y multiplexores, teniendo en cuenta las limitaciones tecnológicas que se vuelven más estrictas en el transcurso del tiempo. Las clásicas metodologías de síntesis pueden no ser suficientes para abordar innovaciones tecnológicas futuras. Incluso las técnicas de optimización frecuentemente utilizadas en la industria de filtros acústicos pueden consumir mucho tiempo en estas nuevas condiciones. Con el fin de proporcionar un resultado de alta precisión compatible con tecnología avanzada en todo el rango de frecuencias, en esta tesis se desarrolla la metodología de síntesis directa en paso banda. El método es especialmente útil para Carrier Aggregation de bandas contiguas y no contiguas, donde la evaluación de fase a una frecuencia alejada de la banda de paso debe ser de mayor precisión para evitar interferencias entre múltiples canales de transmisores y receptores. Uno de los aspectos más importantes del diseño del filtro acústico es la adaptación de las restricciones tecnológicas y el cumplimiento de máscara. Esta tesis tiene en cuenta diferentes parámetros tecnológicos como el coeficiente de acoplamiento efectivo de cada resonador, frecuencias de resonancia, energía almacenada, área de filtro ocupada y factor de calidad. Las técnicas de síntesis descritas analizan y gestionan estas restricciones para proporcionar el mejor resultado posible dentro del rango de parámetros especificados. Se presta especial atención a la gestión de factor de calidad del resonador acústico. Cuando el factor de calidad se tiene en cuenta directamente en el procedimiento de síntesis, se puede obtener características especiales de la respuesta en transmisión y reflexión. En este caso, el filtro diseñado se denomina "lossy" y se caracteriza por dimensiones finitas. Cierta distribución del factor de calidad de cada resonador puede mantener la planitud de la banda de paso y evitar el redondeo de los bordes, manteniendo así la información transmitida y recibida. La metodología propuesta de síntesis de filtro acústico lossy acomoda las restricciones tecnológicas y gestiona las pérdidas de cada resonador de tal manera que se puede obtener un filtro óptimo.Today, constant end-user demands have become the engine of technological progress. Evolution of mobile phones and telecommunication standards is a clear example of fast technological breakthrough which continues to be improved. Nowadays, it is impossible to imagine our life without a mobile phone. Thanks to mobile Internet development, we have got unlimited opportunities. In order to maintain an ever-increasing data exchange, high data rates, reduced latency, and broadband data services have become objects of constant technological improvement. Emerged 4G network standard in deployment and upcoming 5G standard will require even more challenging enhancement of these key characteristics, affecting the entire mobile handset, but especially filtering systems. The main objective of this thesis is to provide an advanced synthesis techniques for ladder-type acoustic filters, duplexers, and multiplexers, taking into account technological constraints which become more stringent in course of time. Classical synthesis methodologies may not be sufficient in order to tackle future technological innovations. Even optimization techniques, mostly used in industry of acoustic filters, can be very time consuming in these new conditions. In order to provide an accurate result compatible with advanced technology on the whole frequency range, direct bandpass synthesis methodology is developed in this work. The method is particularly useful for intra-band and inter-band Carrier Aggregation where phase evaluation at frequency far away from the passband has to be of the highest accuracy in order to avoid interferences between multiple transmitter and receiver channels. One of the most important aspects of acoustic filter' design is accommodation of technological constraints and mask specification fulfillment. This thesis takes into account such important technological parameters as effective coupling coefficient of each resonator, resonant frequencies, stored energy, occupied filter area, and quality factor. Described synthesis techniques analytically analyze and manage these constraints so as to provide the best possible result within the range of specified parameters. Special attention is paid to quality factor management of acoustic resonator. When quality factor is taken into account directly in synthesis procedure, special features of transmission and reflection response can be obtained. In this case, designed filter is called "lossy" and it is characterized by finite dimensions. Certain distribution of quality factor of each resonator can maintain the flatness of passband and avoid edge rounding, thus maintaining the transmitted and received information. Proposed methodology of lossy acoustic filter synthesis accommodates the technological constraints and manage losses of every resonator so that an optimum filter based on acoustic waves can be obtained