No description available.

Yes / A feasibility study of a novel configuration for a super-wide impedance planar antenna is presented based on a 2 × 2 microstrip patch antenna (MPA) using CST Microwave Studio. The antenna comprises a symmetrical arrangement of four-square patches that are interconnected to each other with cross-shaped high impedance microstrip lines. The antenna array is excited through a single feedline connected to one of the patches. The proposed antenna array configuration overcomes the main drawback of conventional MPA with a narrow bandwidth that is typically <5%. The antenna exhibits a super-wide frequency bandwidth from 20 GHz to 120 GHz for S11 < −15 dB, which corresponds to a fractional bandwidth of 142.85%. The antenna’s performance of bandwidth, impedance match, and radiation gain were enhanced by etching slots on the patches. With the inclusion of the slot, the maximum radiation gain and efficiency of the MPA increased to 15.11 dBi and 85.79% at 80 GHz, which showed an improvement of 2.58 dBi and 12.54%, respectively. The dimension of each patch antenna was 4.3 × 5.3 mm2 . The results showed that the proposed MPA is useful for various existing and emerging communication systems such as ultra-wideband (UWB) communications, RFID systems, massive multiple-output multiple-input (MIMO) for 5G, and radar systems. / This work was partially supported by the Innovation Program under grant agreement H2020-MSCA-ITN-2016 SECRET-722424 and financial support from the UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) under grant EP/E022936/1.

Nowadays, the digital terrestrial television (DTT) market is characterized by the high capacity needed for high definition TV services. There is a need for an efficient use of the broadcast spectrum, which requires new technologies to guarantee increased capacities. Non-Uniform Constellations (NUC) arise as one of the most innovative techniques to approach those requirements. NUCs reduce the gap between uniform Gray-labelled Quadrature Amplitude Modulation (QAM) constellations and the theoretical unconstrained Shannon limit. With these constellations, symbols are optimized in both in-phase (I) and quadrature (Q) components by means of signal geometrical shaping, considering a certain signal-to-noise ratio (SNR) and channel model. There are two types of NUC, one-dimensional and two-dimensional NUCs (1D-NUC and 2D-NUC, respectively). 1D-NUCs maintain the squared shape from QAM, but relaxing the distribution between constellation symbols in a single component, with non-uniform distance between them. These constellations provide better SNR performance than QAM, without any demapping complexity increase. 2D-NUCs also relax the square shape constraint, allowing to optimize the symbol positions in both dimensions, thus achieving higher capacity gains and lower SNR requirements. However, the use of 2D-NUCs implies a higher demapping complexity, since a 2D-demapper is needed, i.e. I and Q components cannot be separated. In this dissertation, NUCs are analyzed from both transmit and receive point of views, using either single-input single-output (SISO) or multiple-input multiple-output (MIMO) antenna configurations. In SISO transmissions, 1D-NUCs and 2D-NUCs are optimized for a wide range of SNRs and different constellation orders. The optimization of rotated 2D-NUCs is also investigated. Even though the demapping complexity is not increased, the SNR gain of these constellations is not significant. The highest rotation gain is obtained for low-order constellations and high SNRs. However, with multi-RF techniques, the SNR gain is drastically increased, since I and Q components are transmitted in different RF channels. In this thesis, multi-RF gains of NUCs with and without rotation are provided for some representative scenarios. At the receiver, two different implementation bottlenecks are explored. First, the demapping complexity of all considered constellations is analyzed. Afterwards, two complexity reduction algorithms for 2D-NUCs are proposed. Both algorithms drastically reduce the number of distances to compute. Moreover, both are finally combined in a single demapper. Quantization of NUCs is also explored in this dissertation, since LLR values and I/Q components are modified when using these constellations, compared to traditional QAM constellations. A new algorithm that is based on the optimization of the quantizer levels for a particular constellation is proposed. The use of NUCs in multi-antenna communications is also investigated. It includes the optimization in one or two antennas, the use of power imbalance, the cross-polar discrimination (XPD) between receive antennas, or the use of different demappers. Assuming different values for the parameters evaluated, new Multi-Antenna Non-Uniform Constellations (MA-NUC) are obtained by means of a particularized re-optimization process, specific for MIMO. At the receiver, an extended demapping complexity analysis is performed, where it is shown that the use of 2D-NUCs in MIMO extremely increases the demapping complexity. As an alternative, an efficient solution for 2D-NUCs and MIMO systems based on Soft-Fixed Sphere Decoding (SFSD) is proposed. The main drawback is that SFSD demappers do not work with 2D-NUCs, since they perform a Successive Interference Cancellation (SIC) step that needs to be performed in separated I and Q components. The proposed method quantifies the closest symbol using Voronoi regions and allows SFSD demappers to work. / Hoy en día, el mercado de la televisión digital terrestre (TDT) está caracterizado por la alta capacidad requerida para transmitir servicios de televisión de alta definición y el espectro disponible. Es necesario por tanto un uso eficiente del espectro radioeléctrico, el cual requiere nuevas tecnologías para garantizar mayores capacidades. Las constelaciones no-uniformes (NUC) emergen como una de las técnicas más innovadoras para abordar tales requerimientos. Las NUC reducen el espacio existente entre las constelaciones uniformes QAM y el límite teórico de Shannon. Con estas constelaciones, los símbolos se optimizan en ambas componentes fase (I) y cuadratura (Q) mediante técnicas geométricas de modelado de la señal, considerando un nivel señal a ruido (SNR) concreto y un modelo de canal específico. Hay dos tipos de NUC, unidimensionales y bidimensionales (1D-NUC y 2D-NUC, respectivamente). Las 1D-NUC mantienen la forma cuadrada de las QAM, pero permiten cambiar la distribución entre los símbolos en una componente concreta, teniendo una distancia no uniforme entre ellos. Estas constelaciones proporcionan un mejor rendimiento SNR que QAM, sin ningún incremento en la complejidad en el demapper. Las 2D-NUC también permiten cambiar la forma cuadrada de la constelación, permitiendo optimizar los símbolos en ambas dimensiones y por tanto obteniendo mayores ganancias en capacidad y menores requerimientos en SNR. Sin embargo, el uso de 2D-NUCs implica una mayor complejidad en el receptor. En esta tesis se analizan las NUC desde el punto de vista tanto de transmisión como de recepción, utilizando bien configuraciones con una antena (SISO) o con múltiples antenas (MIMO). En transmisiones SISO, se han optimizado 1D-NUCs para un rango amplio de distintas SNR y varios órdenes de constelación. También se ha investigado la optimización de 2D-NUCs rotadas. Aunque la complejidad no aumenta, la ganancia SNR de estas constelaciones no es significativa. La mayor ganancia por rotación se obtiene para bajos órdenes de constelación y altas SNR. Sin embargo, utilizando técnicas multi-RF, la ganancia aumenta drásticamente puesto que las componentes I y Q se transmiten en distintos canales RF. En esta tesis, se han estudiado varias ganancias multi-RF representativas de las NUC, con o sin rotación. En el receptor, se han identificado dos cuellos de botella diferentes en la implementación. Primero, se ha analizado la complejidad en el receptor para todas las constelaciones consideradas y, posteriormente, se proponen dos algoritmos para reducir la complejidad con 2D-NUCs. Además, los dos pueden combinarse en un único demapper. También se ha explorado la cuantización de estas constelaciones, ya que tanto los valores LLR como las componentes I/Q se ven modificados, comparando con constelaciones QAM tradicionales. Además, se ha propuesto un algoritmo que se basa en la optimización para diferentes niveles de cuantización, para una NUC concreta. Igualmente, se ha investigado en detalle el uso de NUCs en MIMO. Se ha incluido la optimización en una sola o en dos antenas, el uso de un desbalance de potencia, factores de discriminación entre antenas receptoras (XPD), o el uso de distintos demappers. Asumiendo distintos valores, se han obtenido nuevas constelaciones multi-antena (MA-NUC) gracias a un nuevo proceso de re-optimización específico para MIMO. En el receptor, se ha extendido el análisis de complejidad en el demapper, la cual se incrementa enormemente con el uso de 2D-NUCs y sistemas MIMO. Como alternativa, se propone una solución basada en el algoritmo Soft-Fixed Sphere Decoding (SFSD). El principal problema es que estos demappers no funcionan con 2D-NUCs, puesto que necesitan de un paso adicional en el que las componentes I y Q necesitan separarse. El método propuesto cuantifica el símbolo más cercano utilizando las regiones de Voronoi, permitiendo el uso de este tipo de receptor. / Actualment, el mercat de la televisió digital terrestre (TDT) està caracteritzat per l'alta capacitat requerida per a transmetre servicis de televisió d'alta definició i l'espectre disponible. És necessari per tant un ús eficient de l'espectre radioelèctric, el qual requereix noves tecnologies per a garantir majors capacitats i millors servicis. Les constel·lacions no-uniformes (NUC) emergeixen com una de les tècniques més innovadores en els sistemes de televisió de següent generació per a abordar tals requeriments. Les NUC redueixen l'espai existent entre les constel·lacions uniformes QAM i el límit teòric de Shannon. Amb estes constel·lacions, els símbols s'optimitzen en ambdós components fase (I) i quadratura (Q) per mitjà de tècniques geomètriques de modelatge del senyal, considerant un nivell senyal a soroll (SNR) concret i un model de canal específic. Hi ha dos tipus de NUC, unidimensionals i bidimensionals (1D-NUC i 2D-NUC, respectivament). 1D-NUCs mantenen la forma quadrada de les QAM, però permet canviar la distribució entre els símbols en una component concreta, tenint una distància no uniforme entre ells. Estes constel·lacions proporcionen un millor rendiment SNR que QAM, sense cap increment en la complexitat al demapper. 2D-NUC també canvien la forma quadrada de la constel·lació, permetent optimitzar els símbols en ambdós dimensions i per tant obtenint majors guanys en capacitat i menors requeriments en SNR. No obstant això, l'ús de 2D-NUCs implica una major complexitat en el receptor, ja que es necessita un demapper 2D, on les components I i Q no poden ser separades. En esta tesi s'analitzen les NUC des del punt de vista tant de transmissió com de recepció, utilitzant bé configuracions amb una antena (SISO) o amb múltiples antenes (MIMO). En transmissions SISO, s'han optimitzat 1D-NUCs, per a un rang ampli de distintes SNR i diferents ordes de constel·lació. També s'ha investigat l'optimització de 2D-NUCs rotades. Encara que la complexitat no augmenta, el guany SNR d'estes constel·lacions no és significativa. El major guany per rotació s'obté per a baixos ordes de constel·lació i altes SNR. No obstant això, utilitzant tècniques multi-RF, el guany augmenta dràsticament ja que les components I i Q es transmeten en distints canals RF. En esta tesi, s'ha estudiat el guany multi-RF de les NUC, amb o sense rotació. En el receptor, s'han identificat dos colls de botella diferents en la implementació. Primer, s'ha analitzat la complexitat en el receptor per a totes les constel·lacions considerades i, posteriorment, es proposen dos algoritmes per a reduir la complexitat amb 2D-NUCs. Ambdós algoritmes redueixen dràsticament el nombre de distàncies. A més, els dos poden combinar-se en un únic demapper. També s'ha explorat la quantització d'estes constel·lacions, ja que tant els valors LLR com les components I/Q es veuen modificats, comparant amb constel·lacions QAM tradicionals. A més, s'ha proposat un algoritme que es basa en l'optimització per a diferents nivells de quantització, per a una NUC concreta. Igualment, s'ha investigat en detall l'ús de NUCs en MIMO. S'ha inclòs l'optimització en una sola o en dos antenes, l'ús d'un desbalanç de potència, factors de discriminació entre antenes receptores (XPD), o l'ús de distints demappers. Assumint distints valors, s'han obtingut noves constel·lacions multi-antena (MA-NUC) gràcies a un nou procés de re-optimització específic per a MIMO. En el receptor, s'ha modificat l'anàlisi de complexitat al demapper, la qual s'incrementa enormement amb l'ús de 2D-NUCs i sistemes MIMO. Com a alternativa, es proposa una solució basada en l'algoritme Soft-Fixed Sphere Decoding (SFSD) . El principal problema és que estos demappers no funcionen amb 2D-NUCs, ja que necessiten d'un pas addicional en què les components I i Q necessiten separar-se. El mètode proposat quantifica el símbol més pròxim utilitzan / Fuentes Muela, M. (2017). Non-Uniform Constellations for Next-Generation Digital Terrestrial Broadcast Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84743

Elektrohydraulische Steuerungen mit getrennten Steuerkanten stellen komplexe, mechatronische Systeme dar, welche durch ein enges Zusammenspiel der beteiligten Komponenten, ihrer strukturellen Anordnung, der notwendigen Sensorik und Elektronik, sowie den funktionsgebenden Algorithmen charakterisiert sind. Die vielfältigen Umsetzungsvarianten in den jeweiligen Gebieten und speziell im Bereich der Steuer- und Regelalgorithmen erschweren eine zielgerichtete Entwicklung, Bewertung und Auswahl. Neben ökonomischen Randbedingungen bildet vor allem eine beherrschbare Komplexität der Steuerungen, im Sinne der Robustheit und Handhabbarkeit, ein wesentliches Merkmal. Im Kern der Arbeit steht die Frage, welche Systemarchitektur für eine spezifische Maschinen- bzw. Arbeitsaufgabe aus Funktions- und Effizienzsicht optimale Eigenschaften aufweist. Dafür ist es notwendig, den Betrachtungsraum über alle Hierarchieebenen hinweg mit ihren jeweiligen Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Ein strukturierter und iterativer Entwicklungsprozess, welcher dieWechselwirkungen der Einzellösungen frühzeitig einbezieht, dient dabei als Vorgehensmodell. In jeder Ebene sind Synthese,Analyse und Validierungsschritte notwendig, um die resultierenden Systemeigenschaften bewerten zu können. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf einer Einbindung der Steueralgorithmen und einem stufenweisen Test mithilfe simulativer und experimenteller Untersuchungen. Die vorliegende Arbeit stellt eine Struktur- und Schaltungssystematik, zur zielgerichteten Ableitung von Strukturvarianten unter Berücksichtigung der Art und Anordnung der beteiligten Komponenten, zur Verfügung. Für die als Grundstruktur oder Basiskonfiguration bezeichnete Systemvariante, bestehend aus vier proportional verstellbaren Einzelwiderständen in Brückenanordnung, erfolgt eine regelungstechnische Analyse des vorliegenden Mehrgrößensystems. Zusätzlich zum Streckenverhalten (offene Steuerkette) ist das resultierende Verhalten der Kombination Strecke und Steuerung von Interesse. Den Schwerpunkt bilden insbesondere die Analyse des Führungs- und Störverhaltens, sowie die Kopplungseigenschaften des resultierenden Gesamtsystems. Um das funktionale Verhalten der gewählten System- und Steuerungsstruktur tiefgreifender analysieren und ihre Funktionsfähigkeit nachzuweisen zu können, wird ein Labordemonstrator in Form eines Baggerarmprüfstandes genutzt. Hierbei erfolgen jeweils eine virtuelle Untersuchung in einer Systemsimulationsumgebung, als auch der messtechnische Nachweis. Ein analoges Vorgehen wird für die Untersuchung des funktional-energetischen Verhaltens im Gesamtmaschinenkontext gewählt. Das simulativ ermittelte und optimierte Verhalten wird durch umfangreiche Untersuchungen am Maschinendemonstrator, im Rahmen von Maschinenmessungen verifiziert. Die dabei gewonnen Erkenntnisse dienen als Randbedingungen für eine weitreichende simulationstechnische Gegenüberstellung mit alternativen Antriebstechnologien. Erst diese Maßnahme ermöglicht die Einordnung der erzielten Ergebnisse des Untersuchungssystems.:1 Einleitung 1 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 2.1 Aufbau und Funktionsweise von Erdbaumaschinen 3 2.2 Steuerungssysteme mobiler Arbeitsmaschinen 6 2.2.1 Ventilgesteuerte Systeme in Open-Center Ausführung 9 2.2.2 Ventilgesteuerte Systeme in Closed-Center Ausführung 11 2.2.3 Verdrängergesteuerte Systeme 15 2.2.4 Hydraulische Hybridsysteme 18 2.3 Systeme mit getrennten Steuerkanten 21 2.3.1 Ventilstrukturen und Betriebsmodi 22 2.3.2 Aufbau und Funktionsweise proportionaler Sitzventile 28 2.3.3 Steuerungs- und Regelungskonzepte 31 3 Motivation und Zielsetzung 38 4 Entwurf und Systematisierung von Schaltungsvarianten 41 4.1 Methodik im Systementwurf 42 4.2 Varianten der Ventilstrukturen 45 4.3 Varianten der Ventilsteuerung 51 4.4 Varianten der Versorgungs- und Gesamtsysteme 53 5 Übertragungseigenschaften von Mehrgrößensystemen 58 5.1 Charakterisierung Mehrgrößenbegriff 58 5.2 Mathematische Beschreibung des ventilgesteuerten Zylinderantriebs 62 5.3 Herleitung des nichtlinearen, modellbasierten Vorsteuergesetzes 71 5.4 Analyse Zusammenhänge in Mehrgrößensystemen 74 5.4.1 Analyse des statischen Koppelfaktors 76 5.4.2 Analyse der dynamischen Kopplungseigenschaften 80 6 Untersuchungen am Labordemonstrator 87 6.1 Struktur und Aufbau des Labordemonstrators 87 6.2 Untersuchungsmethodik 89 6.3 Modellentwicklung des Labordemonstrators 92 6.3.1 Modellierung der Ausrüstungsmechanik und Prozessbelastung 93 6.3.2 Modellierung des Antriebssystems 95 6.3.3 Umsetzung der Ansteuerung - Software in the Loop 97 6.4 Validierung des Gesamtantriebsmodells 98 6.5 Beschreibung und Analyse der Steuerung 100 6.5.1 Statisches Verhalten im Einzelverbraucherbetrieb 103 6.5.2 Dynamisches Verhalten im Einzelverbraucherbetrieb 105 6.5.3 Statisches Verhalten im Mehrverbraucherbetrieb 108 6.5.4 Dynamisches Verhalten im Mehrverbraucherbetrieb 110 6.6 Zusammenfassung und Bewertung 114 7 Integration und Funktionstest am Maschinendemonstrator 115 7.1 Aufbau und Funktionsweise des Standardantriebssystem 116 7.2 Entwicklung und Integration des Antriebsprototyps 121 7.3 Modellentwicklung des Maschinendemonstrators 130 7.3.1 Ausrüstungs- und Fahrzeugmechanik 131 7.3.2 Verbrennungsmotor 133 7.3.3 Verstellpumpen 135 7.3.4 Steuerventile 136 7.3.5 Proportional-Sitzventil 137 7.3.6 Drehwerkssteuerung 139 7.4 Validierung und simulative Erprobung des des Gesamtsystems 140 7.5 Experimentelle Erprobung und Analyse des GSK-Systems 149 7.6 Zusammenfassung und Bewertung 157 8 Modellgestützte Analyse und Vergleich der Energieeffizienz 159 8.1 Modellgestützte Effizienzanalyse in mobilen Arbeitsmaschinen 159 8.1.1 Vollständige Zyklenspiele 161 8.1.2 Standardzyklus 164 8.1.3 Äquivalente Referenzzyklen 165 8.1.4 Fazit 166 8.2 Entwicklung und Beschreibung von Antriebssystemvarianten 168 8.2.1 Mehrkreis Drosselsteuerung 3K-OC-DS 170 8.2.2 Mehrkreis Load-Sensing Steuerung 2K/3K-CC-LS 172 8.2.3 Mehrkreis Verdrängersteuerung 3K/4K-DC 174 8.2.4 Systemvarianten mit getrennten Steuerkanten 2K/3K-IM 176 8.2.5 Mehrkreis Hybridsysteme 3K-Hy 180 8.3 Ergebnisse der Effizienzanalyse 188 8.3.1 Mehrkreis Drosselsteuerung 3K-OC-DS 188 8.3.2 Mehrkreis Load-Sensing Steuerung 2K/3K-CC-LS 193 8.3.3 Mehrkreis Verdrängersteuerung 3K/4K-DC 194 8.3.4 Systemvarianten mit getrennten Steuerkanten 2K/3K-IM 196 8.3.5 Hybridsystemvarianten 3K-Hy / 3K-CP 198 8.3.6 Gesamtsystemvergleich 200 9 Zusammenfassung und Ausblick 203 10 Literaturverzeichnis 209 A Anhang 233 A.1 Systematisierung von Schaltungsvarianten 233 A.1.1 Metrik zu Ermittlung der Schaltungseffizienz 233 A.2 Untersuchungen Mehrgrößensystem 242 A.2.1 Linearer Signalflussplans eines Systems mit vorgeschalteter Druckwaage 242 A.2.2 Darstellung der Systemmatrizen des ventilgesteuerten Zylinderantriebs 243 A.2.3 Kopplungsanalyse der offenen Steuerkette 243 A.2.4 Kopplungsanalyse der dezentralen Einfachregelung 245 A.2.5 Kopplungsanalyse linearer Entkopplungsfilter 246 A.2.6 Kopplungsanalyse nichtlineare Vorsteuerung 248 A.3 Untersuchungen am Systemprüfstand 250 A.3.1 Kinematikgleichungen 250 A.4 Untersuchungen am Demonstrator 251 A.4.1 Modellierung Mehrkörperstruktur 251 A.4.2 Werkzeug-Boden-Kontakt 252 A.4.3 Dynamische Vermessung Porportional-Sitzventil 253 A.5 Sytemvergleich 254 A.6 Methoden und Verfahren der Effizienzermittlung 254 A.6.1 Validierung Referenzsystem 259 A.6.2 Ergebnisse Effizienzanalyse 260

[ES] Los esquemas de antenas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) pueden maximizar la eficiencia espectral de los sistemas de Televisión Digital Terrestre (TDT) para la provisión de contenidos de gran capacidad, como los servicios emergentes de televisión de ultra alta definición (UHDTV), en el cada vez más escaso y limitado espectro radioeléctrico de la TDT debido a la creciente demanda de servicios inalámbricos de banda ancha (4G y 5G). Las tecnologías MIMO han sido desarrolladas inicialmente en la especificación técnica de TDT DVB-NGH (Digital Video Broadcasting Next Generation Handheld) y estandarizadas en el último estándar de TDT, ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Committee 3rd Generation). Sin embargo, no hay despliegues comerciales MIMO de TDT. Por otro lado, la industria móvil ha desarrollado una tecnología de radiodifusión móvil, conocida como hoy en día como 5G Broadcast, basado en LTE (Long Term Evolution). Aunque LTE incorpora MIMO para transmisiones unicast punto a punto, 5G Broadcast sólo utiliza una única antenna en transmisión. Esta tesis doctoral tiene como objetivo evaluar el rendimiento de MIMO para radiodifusión (terrestrial broadcast) para sistemas inalámbricos de radiodifusión de nueva generación, tanto TDT como sistemas celulares. Durante la estandarización de los sistemas MIMO TDT, el diseño inicial tiene en cuenta condiciones de recepción perfectas, por ejemplo, demoduladores óptimos, información de estado del canal (CSI) perfecta, estimación perfecta de la potencia del ruido, etc. El objetivo principal de esta tesis doctoral es evaluar y optimizar el rendimiento de las transmisiones de radiodifusión MIMO en escenarios realistas. Esta tesis doctoral propone nuevos modelos de canales de propagación MIMO terrestres basados en medidas de campo que pueden utilizarse para la evaluación del rendimiento del sistema MIMO TDT. Además, también optimiza las diferentes configuraciones de transmisión y recepción MIMO, como la estimación de los canales MIMO en el receptor, y el procesado de señal. El escenario considerado en la tesis son torres de alta potencia con recepción fija, característico de las redes de TDT. Los resultados de esta tesis han contribuido al foro de estandarización ATSC, al sector de radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-R) y al proyecto nacional japonés de investigación sobre el sistema TDT de próxima generación. / [CA] Els esquemes d"antenes de múltiples entrades i múltiples sortides (MIMO) poden maximitzar l"eficiència espectral dels sistemes de Televisió Digital Terrestre (TDT) per a la provisió de continguts de gran capacitat, com els serveis emergents de televisió d"ultra alta definició (UHDTV) , en el cada vegada més escàs i limitat espectre radioelèctric de la TDT a causa de la creixent demanda de serveis sense fil de banda ampla (4G i 5G). Les tecnologies MIMO han estat desenvolupades inicialment en l'especificació tècnica de TDT DVB-NGH (Digital Video Broadcasting Next Generation Handheld) i estandarditzades a l'últim estàndard de TDT, ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Committee 3rd Generation). No obstant això, no hi ha desplegaments comercials MIMO de TDT. D'altra banda, la indústria mòbil ha desenvolupat una tecnologia de radiodifusió mòbil, coneguda com avui dia com a 5G Broadcast, basat en LTE (Long Term Evolution). Tot i que LTE incorpora MIMO per a transmissions unicast punt a punt, 5G Broadcast només utilitza una única antena en transmissió. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu avaluar el rendiment de MIMO per a radiodifusió (terrestrial broadcast) per a sistemes sense fil de radiodifusió de nova generació, tant TDT com sistemes cel·lulars. Durant l'estandardització dels sistemes MIMO TDT, el disseny inicial té en compte condicions de recepció perfectes, per exemple demoduladors òptims, informació d'estat del canal (CSI) perfecta, estimació perfecta de la potència del soroll, etc. L¿objectiu principal d¿aquesta tesi doctoral és avaluar i optimitzar el rendiment de les transmissions de radiodifusió MIMO en escenaris realistes. Aquesta tesi doctoral proposa nous models de canals de propagació MIMO terrestres basats en mesures de camp que es poden utilitzar per a l'avaluació del rendiment del sistema MIMO TDT. A més, també optimitza les diferents configuracions de transmissió i recepció MIMO, com l'estimació dels canals MIMO al receptor, i el processament de senyal. L'escenari considerat a la tesi són torres d'alta potència amb recepció fixa, característic de les xarxes de TDT. Els resultats d"aquesta tesi han contribuït al fòrum d"estandardització ATSC, al sector de radiocomunicacions de la Unió Internacional de Telecomunicacions (UIT-R) i al projecte nacional japonès de recerca sobre el sistema TDT de propera generació. / [EN] Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) antenna schemes in Digital Terrestrial Television (DTT) systems aim to maximize the spectral efficiency for the provision of large capacity contents in the scarce and limited DTT Radio-Frequency (RF) channel. The delivery of the emerging Ultra-High Definition TV (UHDTV) services as well as the continuous broadcast spectrum shortage due to the rapidly growing demand for wireless broadband services (4G and 5G) are the motivations for this proposal. MIMO technologies have been firstly developed in the DTT technical specification DVB-NGH (Digital Video Broadcasting Next Generation Handheld) and standardized in the latest DTT standard, ATSC3.0 (Advanced Television Systems Committee 3rd Generation). However, MIMO broadcasting has not been commercialized due to the additional investment for both service providers and receivers. On the other hand, mobile industry has developed mobile broadcast technologies known today as 5G Broadcast based on LTE (Long Term Evolution). Although LTE incorporates MIMO for point to point unicast, 5G Broadcast only uses a single antenna in transmission at the moment. The Ph.D. aims at assessing the performance of MIMO for broadcasting (terrestrial broadcast) for next-generation wireless broadcasting systems, including next-generation wireless broadcasting systems, both DTT and cellular system. During the standardization of MIMO DTT systems, the initial design accounts for perfect reception conditions, e.g., optimal demodulators, perfect Channel State Information (CSI), perfect noise power estimation. The main goal of this PhD is to assess and optimize the performance of MIMO wireless broadcast transmissions in realistic scenarios. This PhD proposes new models of terrestrial MIMO propagation channels based on field measurements which can be utilized for the evaluation of MIMO DTT system. Furthermore, it also optimizes the different MIMO transmission and reception configurations, such as broadcast MIMO channel estimation and signal processing. The scenarios considered in the thesis are high-power high-tower transmitter with fixed reception and characteristics of DTT networks. The results of the PhD have contributed to the ATSC standardization forum, International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R), and the Japanese national research project on next generation DTT system. / Shitomi, T. (2023). Evaluation and Optimization of Multiple-Input Multiple-Output Antenna Schemes for Next-Generation Wireless Broadcasting [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202598

The fifth generation (5G) has developed a lot of interest, and there have been many reported initiatives in both industry and academics. Multiple-input-multiple-output (MIMO) is the most promising wireless access technique for next-generation networks in terms of spectral and energy efficiency (MIMO). In 4G systems, 2-Element MIMO antennas are already used, while 5G mobile terminals for smartphone hand-held devices are projected to use a bigger number of elements. The placement of many antennas in the restricted space of a smartphone PCB is one of the most critical challenges. As a result, for sub-6 GHz 5G applications, a new design technique based on dual-polarised antenna resonators for 6-Element, 8-Element MIMO configuration is proposed. The proposed MIMO design could improve the smartphone antenna system's chan-nel capacity, diversity function, and multiplexing gain, making it appropriate for 5G applica-tions. For distinct prospective bands of the sub-6 GHz spectrum, such as 2.6, 3.6, and 5.8 GHz, different types of novel and compact diversity MIMO antennas using Patch, Slot, and Planar inverted F antenna (PIFA) resonators are examined. Unlike previously reported MIMO antennas, the proposed designs provide full radiation coverage and polarisation diversity, as well as adequate gain and efficiency values to support several mainboard sides. Apart from sub-6 GHz frequencies, 5G devices are projected to support the centimetre/milli-metre wave spectrum's higher bands. To create linear phased arrays, small antennas can be placed at various locations on a smartphone board. For 5G smartphones, we propose novel linear phased arrays with tiny parts like Dipole and Quasi-Yagi resonators. In comparison to previously published designs, the suggested phased arrays have desirable qualities such as compact size, wide beam-steering, broad bandwidth, end-fire radiation, high gain, and efficiency. With a reduced mutual coupling function, the suggested 5G antennas can provide single-band, multi-band, and broad-band characteristics. Both models and measurements are used to an-alyse the fundamental features of 5G antennas, and good agreement is found. Furthermore, in the presence of the user and the smartphone components, good features are seen due to the small size and superior arrangement of elements. Because of these benefits, the sug-gested antennas are well-suited for usage in 5G smartphone applications.

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communication using multiple antennas has received significant attention in recent years, both in the academia and industry, as they offer additional spatial dimensions for high-rate and reliable communication, without expending valuable bandwidth. However, exploiting these promised benefits of MIMO systems critically depends on fast and accurate acquisition of Channel State Information (CSI) at the Receiver (CSIR) and the Transmitter (CSIT). In Time Division Duplex (TDD) MIMO systems, where the forward channel and the reverse channel are the same, it is possible to exploit this reciprocity to reduce the overhead involved in acquiring CSI, both in terms of training duration and power. Further, many popular and efficient transmission schemes such as beam forming, spatial multiplexing over dominant channel modes, etc. do not require full CSI at the transmitter. In such cases, it is possible to reduce the Reverse Channel Training (RCT) overhead by only learning the part of the channel that is required for data transmission at the transmitter. In this thesis, we propose and analyze several novel channel-dependent RCT schemes for MIMO systems and analyze their performance in terms of (a) the mean-square error in the channel estimate, (b) lower bounds on the capacity, and (c) the diversity-multiplexing gain tradeoff. We show that the proposed training schemes offer significant performance improvement relative to conventional channel-agnostic RCT schemes. The main take-home messages from this thesis are as follows: • Exploiting CSI while designing the RCT sequence improves the performance. • The training sequence should be designed so as to convey only the part of the CSI required for data transmission by the transmitter. • Power-controlled RCT, when feasible, significantly outperforms fixed power RCT.

[ES] El escenario actual de las comunicaciones inalámbricas está definido por el progresivo despliegue del 5G que ha establecido altos estándares en tasas binarias, fiabilidad, eficiencia, número de conexiones y latencia. El despliegue inicial del 5G se ha producido en las bandas denominadas sub-6 GHz debido a su compatibilidad con la infraestructura ya desplegada. Una de las novedades del 5G es la subdivisión en pequeñas celdas que requerirá la instalación de puntos de acceso interiores mediante antenas de múltiples puertos, altamente eficientes y compatibles con la tecnología MIMO. Como consecuencia, la necesidad de este tipo de antenas ha experimentado un crecimiento en su demanda. El diseño de este tipo de antenas resulta complejo y requiere de muchos recursos computacionales cuando el número de puertos es elevado. Esta tesis aborda el diseño y análisis de antenas respaldadas por cavidades con alimentación múltiple con la novedad de introducir nuevas metodologías basadas en el análisis de modos característicos (CMA) para el diseño sistemático de este tipo de soluciones para simplificar el proceso de diseño y simulación. Además, todas las soluciones se analizan desde la perspectiva de canal para su evaluación en un entorno real de un sistema con tecnología MIMO. Otro desafío que ha supuesto el sistema 5G es el crecimiento exponencial en la demanda de pequeñas antenas para su integración en dispositivos de tamaño reducido debido al desarrollo de nuevas aplicaciones para el Internet de las Cosas (IoT). En particular, las bandas ISM de 433 MHz, 868/915 MHz y 2.4 GHz son las que más atención han recibido para albergar estas aplicaciones. Las técnicas de miniaturización se vuelven imprescindibles cuando el espacio es tan limitado y considerando que el dispositivo puede ser incluso entre 10 y 20 veces más pequeño que la longitud de onda de la frecuencia de la banda utilizada. Los fabricantes de antenas han introducido antenas cerámicas conocidas como chip antenas que se instalan en placas de circuito impreso (PCB) como solución a esta problemática. Junto con las antenas chip, se proporcionan unas pautas de instalación genéricas en las que falta información del funcionamiento físico de la antena. En esta tesis, varias antenas tipo chip se han diseñado y fabricado con tecnología LTCC para proporcionar más información sobre sus propiedades de radiación y su localización óptima para excitar los modos deseados de la PCB donde se instalan. Un nuevo parámetro basado en CMA se ha propuesto mediante la correlación entre los campos totales y modales para proporcionar información física sobre esta temática. / [CA] L'escenari actual de les comunicacions sense fils està definit pel progressiu desplegament del 5G que ha establit alts estàndards en taxes binàries, fiabilitat, eficiència, nombre de connexions i latència. El desplegament inicial del 5G s'ha produït en les bandes denominades sub-6 GHz a causa de la seua compatibilitat amb la infraestructura ja desplegada. Una de les novetats del 5G és la subdivisió en xicotetes cèl·lules que requerirà la instal·lació de punts d'accés interiors que requeriran antenes de múltiples ports altament eficients compatibles amb la tecnologia MIMO. Com a consequencia, la necessitat d'este tipus d'antenes ha experimentat un creixement en la seua demanda. El disseny d'estes antenes es torna complex i requerix molts recursos computacionals quan s'augmenta el nombre de ports. Esta tesi aborda el disseny i anàlisi de solucions recolzades per cavitats amb alimentació múltiple amb la novetat d'introduir noves metodologies basades en l'anàlisi de modes característics (CMA) per simplificar el procés de disseny i simulació de estes antenes. A més, totes les solucions s'analitzen des de la perspectiva de canal per a la seua avaluació en un entorn real de sistema MIMO. Un altre desafiament que ha suposat el sistema 5G és el creixement exponencial en la demanda d'integració de xicotetes antenes en dispositius de tamany reduït i el desenvolupament de noves aplicacions per a la Internet de les Coses (IoT). En particular, les bandes ISM que operen a 433 MHz, 868/915 MHz i 2.4 GHz són les mes demandades per a estes aplicacions. Les tècniques de miniaturització es tornen imprescindibles quan l'espai és tan limitat i considerant que el dispositiu pot ser fins i tot entre 10 i 20 vegades més xicotet que la longitud d'ona de la banda de freqüència utilitzada. Els fabricants d'antenes han introduït antenes tipus xip ceràmiques instal·lades en plaques de circuit imprés (PCB) com a solució a esta problematica. Juntament amb les antenes xip, es proporcionen unes pautes d'instal·lació genèriques sense cap justificació física adicional. En esta tesi, diverses antenes tipus xip s'han dissenyat i fabricat internament amb tecnologia LTCC per a proporcionar més informació sobre les seues propietats de radiació i la seua localització òptima per a excitar els modes desitjats de la PCB on s'instal·len. Un nou paràmetre basat en CMA s'ha proposat mitjançant la correlació entre els camps totals i modals per a proporcionar informació física sobre esta temàtica. / [EN] The current wireless communication scenario is defined by the progressive deployment of the 5$^{th}$ generation (5G) wireless communication system, which has established high standards in data rate, reliability, efficiency, number of connections, and latency. The early deployment of the 5G has taken place in the so-called sub-6 GHz bands due to its compatibility with the previously deployed infrastructure. One of the novelties of the 5G is the subdivision into small cell coverage areas, which will require the installation of indoor access points requiring multiple port antennas with high efficiency compatible with the Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology. As a result, the need for this kind of antenna has increased. The design of these antennas becomes complex and time-demanding when the number of ports is increased. This thesis deals with the design and analysis of multiple-fed cavity-backed solutions with the novelty of introducing new characteristic modes analysis (CMA) based methodologies for the systematic design of this kind of solution, which simplifies the design and calculation process. In addition, all the solutions are analyzed regarding the channel perspective for their evaluation in a real MIMO system environment. Another challenge that brings the 5G system is the exponential growth in the demand for the integration of small antennas in size-limited devices introduced by the all-connected concept and the development of new applications for the Internet of Things (IoT). In particular, the 433 MHz, 868/915 MHz, and 2.4 GHz ISM bands are mainly used for these applications. Miniaturization techniques become imperative in such a limited space, considering that the device can be even 10-20 times smaller than the wavelength of the operating band. Antenna manufacturers have introduced ceramic chip antennas installed in printed circuit boards (PCBs) as the solution for this scenario. They are provided with generic installation guidelines without further physical insight. In this thesis, low-temperature co-fired ceramic (LTCC) chip antennas have been designed and fabricated in-house to provide more information about their radiation performance and optimum allocation to excite the desired modes on the installed PCB. A novel CMA parameter based on the correlation between total and modal fields is introduced to provide physical insight into this topic. / Molins Benlliure, J. (2024). Design and Analysis of 5G/IoT Antennas for sub-6 GHz Applications using Characteristic Modes Analysis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/213673

Les futurs systèmes de communication mobile sont caractérisés par un déploiement de plus en plus dense de différents types de points d'accès sans fil. Afin d’atténuer les interférences dans ces systèmes, les techniques aux entrées multiples-sorties multiples (MIMO) ainsi que la coopération entre les émetteurs et/ou les récepteurs sont nécessaires. Les systèmes de communication mobile en deviennent plus complexes, ce qui impose une évolution des outils mathématiques permettant leur analyse. Ceux-ci doivent être capables de prendre en compte les caractéristiques les plus importantes du système, telles que l'affaiblissement de propagation, les interférences et l'information imparfaite d'état du canal. Le but de cette thèse est de développer de tels outils basés sur la théorie des grandes matrices aléatoires et de démontrer leur utilité à l'aide de plusieurs applications pratiques, telles que l'analyse des performances des systèmes « network MIMO » et des systèmes MIMO à grande échelle, la conception de détecteurs de faible complexité à expansion polynomiale, l'étude des techniques de précodage unitaire aléatoire, ainsi que l'analyse de canaux à relais multiples et de canaux à double diffusion. En résumé, les méthodes développées dans ce travail fournissent des approximations déterministes de la performance du système qui deviennent exactes en régime asymptotique avec un nombre illimité d'émetteurs et de récepteurs. Cette approche conduit souvent à des approximations de la performance du système étonnamment simples et précises et permet de tirer d’importantes conclusions sur les paramètres les plus pertinents. / Advanced mobile communication systems are characterized by a dense deployment of different types of wireless access points. Since these systems are primarily limited by interference, multiple-input multiple-output (MIMO) techniques as well as coordinated transmission and detection schemes are necessary to mitigate this limitation. Thus, mobile communication systems become more complex which requires that also the mathematical tools for their theoretical analysis must evolve. These must be able to take the most important system characteristics into account, such as fading, path loss, and interference. The aim of this thesis is to develop such tools based on large random matrix theory and to demonstrate their usefulness with the help of several practical applications, such as the performance analysis of network MIMO and large-scale MIMO systems, the design of low-complexity polynomial expansion detectors, and the study of random beamforming techniques as well as multi-hop relay and double-scattering channels. The methods developed in this work provide deterministic approximations of the system performance which become arbitrarily tight in the large system regime with an unlimited number of transmitting and receiving devices. This leads in many cases to simple and close approximations of the finite-size system performance and allows one to draw relevant conclusions about the most significant parameters. One can think of these methods as a way to provide a deterministic abstraction of the physical layer which substantially reduces the system complexity. Due to this complexity reduction, it is possible to carry out a system optimization which would be otherwise intractable.

Multiple-input, multiple-output (MIMO) techniques have been proposed to meet the needs for higher data rates and lower delays in future wireless communication systems. The downlink capacity of multiuser MIMO systems is achieved when the system transmits to several users simultaneously. Frequently, many more users request service than the transmitter can simultaneously support. Thus, the transmitter requires a scheduling algorithm for the users, which must balance the goals of increasing throughput, reducing multiuser interference, lowering delays, ensuring fairness and quality of service (QoS), etc. In this thesis, we investigate the application of genetic algorithms (GAs) to perform scheduling in multiuser MIMO systems. GAs are a fast, suboptimal, low-complexity method of solving optimization problems, such as the maximization of a scheduling metric, and can handle arbitrary functions and QoS constraints. We first examine a system that transmits using capacity-achieving dirty paper coding (DPC). Our proposed GA structure both selects users and determines their encoding order for DPC, which affects the rates they receive. Our GA can also schedule users independently on different carriers of a multi-carrier system. We demonstrate that the GA performance is close to that of an optimal exhaustive search, but at a greatly reduced complexity. We further show that the GA convergence time can be significantly reduced by tuning the values of its parameters. While DPC is capacity-achieving, it is also very complex. Thus, we also investigate GA scheduling with two linear precoding schemes, block diagonalization and successive zero-forcing. We compare the complexity and performance of the GA with "greedy" scheduling algorithms, and find the GA is more complex, but performs better at higher signal-to-noise ratios (SNRs) and smaller user pool sizes. Both algorithms are near-optimal, yet much less complex than an exhaustive search. We also propose hybrid greedy-genetic algorithms to gain benefits from both types of algorithms. Lastly, we propose an improved method of optimizing the transmit covariance matrices for successive zero-forcing. Our algorithm significantly improves upon the performance of the existing method at medium to high SNRs, and, unlike the existing method, can maximize a weighted sum rate, which is important for fairness and QoS considerations. / Communications