The agricultural sector is the backbone which supports the livelihoods and the economic development of nations across the globe. In consequence, the need for robust and continuous monitoring of agricultural crops is primordial to face the interlinked challenges of growth rate population, food security and climate change. Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors have the powerful imaging capability of operating at almost all weather conditions, independent of day and night illumination. By penetrating through clouds and into the vegetation canopy, the incident radar signal interacts with the structural and dielectric properties of the vegetation and soil, thus providing critical information of the crop state, such as height, biomass, crop yield or leaf structure, which can help devise sustainable agricultural management practices. This is achieved by means of the Polarimetric SAR Interferometry (PolInSAR) technique, which by coherently combining interferometric SAR acquisitions at different polarization states allows for the retrieval of biophysical parameters of the vegetation. In this framework, this thesis focuses on the development of crop monitoring techniques that properly exploit satellite-based PolInSAR data. All the known InSAR and PolInSAR methodologies for this purpose have been analysed. The sensitivity of these data provided by the TanDEM-X bistatic system to both the physical parameters of the scene (height and structure of the plants, moisture and roughness of the soil) and the sensor configuration (polarization modes and observation geometry) is evaluated. The effect of different simplifications made in the physical model of the scene on the crop estimates is assessed. The interferometric sensitivity requirements to monitor a crop scenario are more demanding than others, such as forests. Steep incidences associated with the largest spatial baselines provided by the available data set lead to the most accurate estimates under all the different model assumptions. Shallower incidences, on the other hand, generally yield important errors due to their characteristic shorter spatial baselines. Through the methodologies proposed in this thesis, PolInSAR data have shown potential to refine current methods for the quantitative estimation of crop parameters. Results encourage to continue further research towards the objective of achieving operational crop monitoring applications. / Work supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation, the State Agency of Research (AEI) and the European Funds for Regional Development (EFRD) under Project TEC2017-85244-C2-1-P. Noelia Romero-Puig received a grant from the Generalitat Valenciana and the European Social Fund (ESF) [ACIF/2018/204].

Synthetic Aperture Radar interferometry (InSAR) is a powerful and established technique, which is based on exploiting the phase difference between pairs of SAR images, and which aims to measure changes in the Earth’s surface. The quality of the interferometric phase is therefore the most crucial factor for deriving reliable products by means of this technique. Unfortunately, the quality of the phase is often degraded due to multiple decorrelation factors, such as the geometrical or temporal decorrelation. Accordingly, central to this PhD thesis is the development of advanced processing techniques and algorithms to extensively reduce such disturbing effects caused by decorrelation. These new techniques include an improved range spectral filter which fully utilizes an external Digital Elevation Model (DEM) to reduce geometrical decorrelation between pairs of SAR images, especially in areas strongly influenced by topography where conventional methods are limited; an improved filter for the final interferometric phase the goal of which is to remove any remaining noise (for instance, noise caused by temporal decorrelation) while, simultaneously, phase details are appropriately preserved; and polarimetric optimization algorithms which also try to enhance the quality of the phase by exploring all the polarization diversity. Moreover, the exploitation of InSAR data for crop type mapping has also been evaluated in this thesis. Specifically, we have tested if the multitemporal interferometric coherence is a valuable feature which can be used as input to a machine learning algorithm to generate thematic maps of crop types. We have shown that InSAR data are sensitive to the temporal evolution of crops, and, hence, they constitute an alternative or a complement to conventional radiometric, SAR-based, classifications.

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El problema de detección de series temporales multivariadas surge en aplicaciones tan dispares como radar, sonar, ingeniería biomédica o comunicaciones. Aunque, sin lugar a dudas, dos de las aplicaciones más importantes en la actualidad son el sensado espectral multiantena para radio cognitiva (CR) y las redes de sensores. En el primer caso, el objetivo consiste en detectar bandas del espectro vacías, para permitir la transmisión oportunista de usuarios secundarios. En el segundo, a partir de las señales adquiridas por un conjunto de sensores, se quiere determinar qué modelo ha generado dichas observaciones. Los problemas de detección multicanal se pueden resolver de diferentes maneras en función de la información a priori disponible. En concreto, en esta Tesis se consideran los detectores basados en la estructura espacial, que es una característica especialmente interesante dado que permite desarrollar tests que necesitan muy poca información a priori sobre las señales. / The multiple-channel signal detection problem appears in many applications, such as radar and sonar, bioengineering, or communications. Nevertheless, two of the most important applications nowadays are multiantenna spectrum sensing and sensor networks. In the first case, we must detect frequency sub-bands which are not occupied, to allow the opportunistic transmission of secondary users. In the second case, the goal consists in determining, from a set of observations, the model which better explains the data. Multiple-channel detection problems may be solved following different approaches depending on the available information. Concretely, in this Thesis, spatial-structure based detectors are considered, providing tests that use no or very limited a priori information about the signal to be detected.

En esta Tesis Doctoral se presenta el método determinístico de alta frecuencia denominado Modi_ed Equivalent Current Approximation (MECA). Su ámbito de aplicación se circunscribe al cálculo de niveles de campo electromagnético a partir de unas corrientes equivalentes, tanto eléctricas como magnéticas, para un escenario eléctricamente grande. Se trata de una extensión de la formulación clásica de Óptica Física para la consideración no solo de super_cies de tipo conductor eléctrico perfecto sino también dieléctrico o con pérdidas.El método MECA debe ser complementado por un algoritmo de cálculo de visibilidades para distinguir entre zonas iluminadas y en sombra desde un punto de vista. En consonancia con ello se evalúan cuatro distintas metodologías, de las cuales tres son nuevas (Método Cono, Método Pirámide y Método Recorte) y la restante, Binary Space Partitioning, se emplea como referencia.La validación se efectúa a partir del cómputo de la sección recta radar de diversas geometrías canónicas y se contrasta con sus expresiones analíticas o bien con los resultados provistos por la técnica de onda completa basada en el Método de los Momentos. Adicionalmente se contemplan diferentes aspectos de interés ligados a MECA, como el efecto de la polarización o el ángulo de incidencia.La inclusión de métodos de aceleración basados en división en dominios o limitación en alcance y la descripción de la herramienta de cálculo de cobertura radioeléctrica desarrollada dan paso a los ejemplos de aplicación. Estos consisten en una optimización de una red GSM/GPRS en un entorno rural y una diagnosis en un entorno urbano con dos estaciones transmisoras de radio. También se muestra un escenario para evaluar el comportamiento en interiores.

[ES] La red de sexta generación (6G) es la solución potencial para satisfacer los requisitos exponencialmente crecientes de los servicios y aplicaciones emergentes. La plataforma 6G espera ofrecer altas velocidades de datos, conectividad ultra alta y baja latencia en función de los indicadores clave de rendimiento (KPI) requeridos. La tecnología de comunicación por luz visible (VLC) representa una tecnología clave para la red 6G, pero requiere una técnica de modulación avanzada eficiente para cumplir con dichos requisitos. En las últimas décadas, las señales ópticas basadas en el esquema de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) han atraído mucha atención y se han convertido en la modulación más popular entre varios esquemas de acceso multiportadora, gracias a su robustez y simplicidad frente a la cancelación por trayectos múltiples utilizando el prefijo cíclico (CP). Una de las formas de onda más prometedoras para redes de próxima generación es la técnica de modulación Filter Bank MultiCarrier (FBMC). El principal beneficio del esquema FBMC es que no depende de CP y de un gran número de muestras de banda de guarda, por lo tanto, emplea varias funciones de pulso localizadas en el tiempo con una alta relación de supresión de lóbulos laterales, lo que permite mejorar la eficiencia espectral y el rendimiento del sistema como factores clave en las redes ópticas de próxima generación, y proporciona una buena alternativa a la técnica CP-OFDM. Esta Tesis pretende dar un paso adelante en la propuesta de formatos de modulación para ser utilizados en sistemas VLC como tecnología habilitadora en redes 6G. Por lo tanto, se propone el sistema Flip-FBMC con un algoritmo de truncamiento para ofrecer una transmisión de alta velocidad con baja latencia Flip-FBMC mediante el uso del algoritmo de transformación ortogonal isotrópica (IOTA) y la capa PHYsical para DYnamic AccesS y filtros de radio cognitiva (PHYDYAS). En esta Tesis se propone la ecualización multitap con el fin de mitigar la Interferencia imaginaria intrínseca (IMI) en un canal con perfiles de retardos elevado en sistemas VLC de interiores. Además, se ha mejorado rendimiento de error de las señales FBMC no coherentes mediante el análisis de la propiedad de la localización de tiempo-frecuencia con la función gaussiana extendida (EGF), donde el factor de dispersión desempeña un papel crucial en la determinación del equilibrio entre las características espectrales y la reconstrucción óptima de la calidad de la señal. Además, la Tesis proporciona el primer análisis teórico que informa de la degradación en la estimación para varios factores de clipping basada en el impacto del nivel de interferencia imaginario fuera de la zona de primer orden que no puede ser estimada mediante el preámbulo de IAM. Sin embargo, se debe enfatizar en el valor de la técnica Flip-FBMC/IAM para proporcionar el modelo unipolar en comparación con el uso del formato FBMC óptico polarizado con corriente continua (DCO-FBMC) que sufre una reducción en la estimación de la precisión. Por lo tanto, se ha demostrado el descenso del rendimiento con el sistema DCO-FBMC debido al IMI inducido fuera de los símbolos de orden cero, y que es más evidente cuando se requieren niveles bajos de corriente DC. Desde esta perspectiva, la técnica de repetición de tramas con señales Flip-FBMC ha demostrado ser una solución importante para minimizar la interferencia inducida. Por lo tanto, en esta Tesis, la modulación Flip-FBMC con repetición de tramas y perfil de filtro PHYDYAS se propone como un candidato viable para hacer frente al rango dinámico restringido del LED, en comparación con el rendimiento de los sistemas Flip-CP-OFDM y Flip-FBMC/IAM en futuras redes 6G basadas en acceso VLC. / [CA] La xarxa de sexta generació (6G) és la solució potencial per a satisfer els requisits exponencialment creixents dels servicis i aplicacions emergents. La plataforma 6G espera oferir altes velocitats de dades, connectivitat ultra alta i baixa latència en funció dels indicadors clau de rendiment (KPI) requerits. La tecnologia de comunicació per llum visible (VLC) representa una tecnologia clau per a la xarxa 6G, però requerix una tècnica de modulació avançada eficient per a complir amb estos requisits. En les últimes dècades, els senyals òptics basats en l'esquema de multiplexació per divisió de freqüència ortogonal (OFDM) han atret molta atenció i s'han convertit en la modulació més popular entre diversos esquemes d'accés multiportadora, gràcies a la seua robustesa i simplicitat enfront de la cancel·lació per trajectes múltiples utilitzant el prefix cíclic (CP). Una de les formes d'ona més prometedores per a xarxes de pròxima generació és la tècnica de modulació Filter Bank MultiCarrier (FBMC). El principal benefici de l'esquema FBMC és que no depén de CP i d'un gran nombre de mostres de banda de guarda, per tant, empra diverses funcions de pols localitzades en el temps amb una alta relació de supressió de lòbuls laterals, la qual cosa permet millorar l'eficiència espectral i el rendiment del sistema com a factors clau en les xarxes òptiques de pròxima generació, i proporciona una bona alternativa a la tècnica CP-OFDM. Esta Tesi pretén fer un pas avant en la proposta de formats de modulació per a ser utilitzats en sistemes VLC com a tecnologia habilitadora en xarxes 6G. Per tant, es proposa el sistema Flip-FBMC amb un algoritme de truncament per a oferir una transmissió d'alta velocitat amb baixa latència Flip-FBMC mitjançant l'ús de l'algoritme de transformació ortogonal isotròpica (IOTA) i la capa PHYsical per a DYnamic AccesS i filtres de ràdio cognitiva (PHYDYAS). En aquesta Tesi, es proposa l'equalització multitap per als sistemes VLC en interiors per a mitigar la interferència imaginària intrínseca (IMI) en un canal amb perfils de retards elevat. A més, el rendiment d'error dels senyals FBMC no coherents es millora mitjançant l'anàlisi de la propietat de la localització de temps-freqüència amb la funció gaussiana estesa (EGF), on el factor de dispersió exercix un paper crucial en la determinació de l'equilibri entre les característiques espectrals i la reconstrucció òptima de la qualitat del senyal. En tal escenari, a causa del rang dinàmic limitat del díode emissor de llum (LED), la millora de la precisió de l'estimació depén dels nivells de potència dels pseudopilots amb l'ús de l'arquitectura del Mètode d'Aproximació d'Interferència (IAM) i per tant, no és adequada en sistemes VLC d'il·luminació i comunicació. A més, la Tesi proporciona la primera anàlisi teòrica que informa de la degradació en l'estimació per a diversos factors de clipping basada en l'impacte del nivell d'interferència imaginari fora de la zona de primer orde que no pot ser estimada mitjançant el preàmbul de IAM. No obstant això, s'ha d'emfatitzar en el valor de la tècnica Flip-FBMC/IAM per a proporcionar el model unipolar en comparació amb l'ús del format FBMC òptic polaritzat amb corrent continu (DCO-FBMC) que patix una reducció en l'estimació de la precisió. Per tant, s'ha demostrat el descens del rendiment amb el sistema DCO-FBMC a causa del IMI induït fora dels símbols d'orde zero, i que és més evident quan es requerixen nivells baixos de corrent DC. Des d'esta perspectiva, la tècnica de repetició de trames amb senyals Flip-FBMC ha demostrat ser una solució important per a minimitzar la interferència induïda. Per tant, en esta Tesi, la modulació Flip-FBMC amb repetició de trames i perfil de filtre PHYDYAS es proposa com un candidat viable per a fer front al rang dinàmic restringit del LED, en comparació amb el rendiment dels sistemes Flip-CP-OFDM i Flip-FBMC/IAM en futures xarxes 6G basades en accés VLC. / [EN] The sixth generation (6G) network is the potential solution to meet the exponentially increasing requirements of the emerging services and applications. The 6G platform expects to offer high data rates, ultra-high connectivity, and low latency based on the required key performance indicators (KPIs). The visible light communication (VLC) technology represents a key technology for 6G network but requires an efficient advanced modulation technique to support such requirements. In the last decades, optical signals based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) scheme has attracted a lot of attention and become the most popular modulation among several multicarrier access schemes, thanks to its robustness and simplicity against multipath fading using the cyclic prefix (CP). One of the most candidate waveforms that is considered as the promising modulation technique for the next generation requirements and applications is Filter Bank MultiCarrier (FBMC) multiplexing. The major benefit of FBMC scheme is non-reliance on CP and high numbers of guard band samples, thereby, it employs several well time-frequency localized pulse functions with high side-lobe suppression ratio instead, which allows enhancing the spectral efficiency and system performance as key factors in next generation optical networks, and provides a good alternative to CP-OFDM technique. This Thesis aims to make a step forward in proposing modulation formats to be used in VLC systems as enabling technology in 6G networks. Hence, Flip-FBMC system with a truncation algorithm is proposed to offer a high-speed transmission with low latency by tackling the doubled-overhead tails at the subframes of Flip-FBMC burst by the use of the isotropic orthogonal transformation algorithm (IOTA) and PHYsical layer for DYnamic AccesS and cognitive radio (PHYDYAS) filters. Multitap equalization is proposed in this Thesis for the sake of mitigating the intrinsic imaginary interference (IMI) over a channel with high delays profile for indoor VLC system. Moreover, the error performance of non-coherent FBMC signals is enhanced by analysing the property of time-frequency localization with Extended Gaussian Function (EGF), where the spreading factor plays a crucial role in determining the trade-off between the spectral features and optimal reconstruction of signal quality. In such scenario, due to the limited dynamic range of light emitting diode (LED), improving in the accuracy of estimation depends on the power-levels of pseudo pilots with the use of Interference Approximation Method (IAM) architecture. Thereby, the analysis reveals that IAM sequence is not suitable for a real transmission scenario due to high power of IAM over the payload data which conflicts with VLC purposes of illumination and communication simultaneously. Additionally, the Thesis provides the first theoretical analysis reporting the degradation of estimation accuracy for several clipping ratios based on the impact of imaginary interference level outside the first order neighbourhood zone that cannot be estimated by IAM preamble. However, the value of Flip-FBMC/IAM technique in providing the unipolar model must be emphasized compared to the use of Direct Current biased Optical FBMC (DCO-FBMC) format that suffers from a reduction in estimating accuracy. Thereby, the downfall performance with DCO-FBMC system has been reported because of the induced IMI that spreads out the first neighbourhood symbols, which is more evident when low levels of the added DC-bias are required. From such perspective, the frame repetition technique with Flip-FBMC signals has been demonstrated as a major solution for minimizing the induced interference. Therefore, in this Thesis, Flip-FBMC/frame repetition with PHYDYAS profile is proposed as a viable candidate to cope with the restricted dynamic range of the LED, compared to the performance for each Flip-CP-OFDM and Flip-FBMC/IAM system in future 6G networks based on VLC access. / Bahaaelden, MS. (2024). Novel 5G-Modulation Formats and Their Application in Optical Wireless Communications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204634

La mayor parte de los sistemas de comunicaciones requieren el conocimiento previo del canal, el cual se suele estimar a partir de una secuencia de entrenamiento. Sin embargo, la transmisión de símbolos piloto se traduce en una reducción de la eficiencia espectral del sistema, lo que imposibilita que se alcancen los límites predichos por la Teoría de la Información. Este problema ha motivado el desarrollo de un gran número de técnicas para la estima e igualación ciega de canal, es decir, para la obtención del canal o la fuente sin necesidad de transmitir una señal de entrenamiento. Normalmente, estas técnicas se basan en el conocimiento previo de ciertas características de la señal, tales como su pertenencia a un alfabeto finito, o sus estadísticos de orden superior. Sin embargo, en el caso de sistemas de múltiples entradas y salidas (MIMO), se ha demostrado que los estadísticos de segundo orden de las observaciones proporcionan la información suficiente para resolver el problema ciego.El objetivo de esta Tesis consiste en la obtención de nuevas técnicas para la estima e igualación ciega de canales MIMO, tanto en sistemas con redundancia espacial, como en casos más generales en los que las fuentes no presentan ningún tipo particular de estructura. De manera general, los métodos propuestos se basan en los estadísticos de segundo orden de las observaciones. Sin embargo, las técnicas se presentan desde un punto de vista determinista, es decir, los algoritmos propuestos explotan directamente la estructura de las matrices de datos, lo que permite obtener resultados más precisos cuando se dispone de un número reducido de observaciones. Adicionalmente, la reformulación de los criterios propuestos como problemas clásicos del análisis estadístico de señales, ha permitido la obtención de algoritmos adaptativos eficientes para la estima e igualación de canales MIMO. En primer lugar se aborda el caso de sistemas sin redundancia. Más concretamente, se analiza el problema de igualación ciega de canales MIMO selectivos en frecuencia, el cual se reformula como un conjunto de problemas de análisis de correlaciones canónicas (CCA). La solución de los problemas CCA se puede obtener de manera directa mediante un problema de autovalores generalizado. Además, en esta Tesis se presenta un algoritmo adaptativo basado en la reformulación de CCA como un conjunto de problemas de regresión lineal acoplados. De esta manera, se obtienen nuevos algoritmos bloque y adaptativos para la igualación ciega de canales MIMO de una manera sencilla. Finalmente, el método propuesto se basa, como muchas otras técnicas ciegas, en el conocimiento a priori del orden del canal, lo que constituye un problema casi tan complicado como el de la estima o igualación ciega. Así, en el caso de canales de una entrada y varias salidas (SIMO), la combinación de la técnica propuesta con otros métodos para la estima ciega del canal permite obtener un nuevo criterio para extracción del orden de este tipo de canalesEn segundo lugar se considera el problema de estima ciega de canal en sistemas con algún tipo de redundancia o estructura espacial, con especial interés en el caso de sistemas con codificación espacio-temporal por bloques (STBC). Específicamente, se propone una nueva técnica para la estima ciega del canal, cuya complejidad se reduce a la extracción del autovector principal de una matriz de correlación modificada. El principal problema asociado a este tipo de sistemas viene dado por la existencia de ciertas ambigüedades a la hora de estimar el canal. En esta Tesis se plantea el problema de identificabilidad de una manera general, y en el caso de códigos ortogonales (OSTBCs) se presentan varios nuevos teoremas que aseguran la identificabilidad del canal en un gran número de casos. Adicionalmente, se proponen varias técnicas para la resolución de las ambigüedades, tanto en el caso OSTBC como para códigos más generales. En concreto, se introduce el concepto de diversidad de código, que consiste en la combinación de varios códigos STBC. Esta técnica permite resolver las indeterminaciones asociadas a un gran número de problemas, y en su versión más sencilla se reduce a una precodificación no redundante consistente en una simple rotación o permutación de las antenas transmisoras.En definitiva, en esta Tesis se abordan los problemas de estima e igualación ciega de canal en sistemas MIMO, y se presentan varias técnicas ciegas, cuyas prestaciones se evalúan mediante un gran número de ejemplos de simulación. / The majority of communication systems need the previous knowledge of the channel, which is usually estimated by means of a training sequence. However, the transmission of pilot symbols provokes a reduction in bandwidth efficiency, which precludes the system from reaching the limits predicted by the Information Theory. This problem has motivated the development of a large number of blind channel estimation and equalization techniques, which are able to obtain the channel or the source without the need of transmitting a training signal. Usually, these techniques are based on the previous knowledge of certain properties of the signal, such as its belonging to a finite alphabet, or its higher-order statistics. However, in the case of multiple-input multiple-output (MIMO) systems, it has been proven that the second order statistics of the observations provide the sufficient information for solving the blind problem.The aim of this Thesis is the development of new blind MIMO channel estimation and equalization techniques, both in systems with spatial redundancy, and in more general cases where the sources do not have any particular spatial structure. In general, the proposed methods are based on the second order statistics of the observations. However, the techniques are presented from a deterministic point of view, i.e., the proposed algorithms directly exploit the structure of the data matrices, which allows us to obtain more accurate results when only a reduced number of observations is available. Additionally, the reformulation of the proposed criteria as classical statistical signal processing problems is exploited to obtain efficient adaptive algorithms for MIMO channel estimation and equalization.Firstly, we consider the case of systems without spatial redundancy. Specifically, we analyze the problem of blind equalization of frequency selective MIMO channels, which is reformulated as a set of canonical correlation analysis (CCA) problems. The solution of the CCA problems can be obtained by means of a generalized eigenvalue problem. In this Thesis, we present a new adaptive algorithm based on the reformulation of CCA as a set of coupled linear regression problems. Therefore, new batch and adaptive algorithms for blind MIMO channel equalization are easily obtained. Finally, the proposed method, as well as many other blind techniques, is based on the previous knowledge of the channel order, which is a problem nearly as complicated as the blind channel estimation or equalization. Thus, in the case of single-input multiple-output (SIMO) channels, the combination of the proposed technique with other blind channel estimation methods provides a new criterion for the order extraction of this class of channels.Secondly, we consider the problem of blind channel estimation in systems with some kind of redundancy or spatial structure, with special interest in space-time block coded (STBC) systems. Specifically, a new blind channel estimation technique is proposed, whose computational complexity reduces to the extraction of the principal eigenvector of a modified correlation matrix. The main problem in these cases is due to the existence of certain ambiguities associated to the blind channel estimation problem. In this Thesis the general identifiability problem is formulated and, in the case of orthogonal codes (OSTBCs), we present several new theorems which ensure the channel identifiability in a large number of cases. Additionally, several techniques for the resolution of the ambiguities are proposed, both in the OSTBC case as well as for more general codes. In particular, we introduce the concept of code diversity, which consists in the combination of several STBCs. This technique avoids the ambiguities associated to a large number of problems, and in its simplest version it reduces to a non-redundant precoding consisting of a single rotation or permutation of the transmit antennas.In summary, in this Thesis the blind MIMO channel estimation and equalization problems are analyzed, and several blind techniques are presented, whose performance is evaluated by means of a large number of simulation examples.

Se presenta un estudio de las oscilaciones microondas en régimen de gran señal en dispositivos activos de estado sólido caracterizados por su función descriptiva sinusoidal. Para ello se han confeccionado programas de cálculo frecuencial no lineal que resuelven circuitos de microondas formados por una o varias no linealidades cargadas por cualquier circuito pasivo externo. Por último se hace un estudio experimental exhaustivo para comprobar la aplicabilidad de los métodos precedentemente descritos.