Integration of complex optical functionalities with high performance will lead to a huge development in the field of nanophotonics for a broad range of applications. Silicon photonics is currently the leading technology for the implementation of low-cost photonic integrated devices. The great potential of this technology relies on its compatibility with the mature silicon integrated circuits manufacturing based on complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) processes widely used in microelectronic industry and the availability of high quality silicon-on-insulator wafers, an ideal platform for creating planar waveguide circuits that offers strong optical confinement due to the high index contrast between silicon (n=3.45) and silicon dioxide (n=1.45). In order to keep improving the performance of photonic devices on silicon, the integration of CMOS compatible materials with unique properties shows up as an excellent opportunity to overcome the current limitations in silicon while offering unprecedented and novel capabilities to the silicon platform. In this way, barium titantate (BaTiO3) stands out as one of the most disruptive candidates. The work developed in this thesis is essentially focused on the design, fabrication and characterization of an electro-optic modulator based on a hybrid BaTiO3 on silicon structure for the implementation of high performance electro-optic functionalities with beyond state-of-the art performance that currently cannot be afforded in silicon photonics technology. / La integración de funcionalidades ópticas con alto rendimiento llevará a un gran desarrollo en el campo de la nanofotónica para un amplio abanico de aplicaciones. Actualmente, la fotónica de silicio es la tecnología líder para la implementación de dispositivos fotónicos integrados a bajo coste. El gran potencial de esta tecnología reside en su compatibilidad con las maduras técnicas de fabricación de circuitos integrados de silicio basadas en los procesos "complementary metal-oxide semiconductor" (CMOS) ampliamente utilizados en la industria microelectrónica y la disponibilidad de disponer de obleas de silicio sobre aislante de alta calidad, una plataforma ideal para crear circuitos de guía de ondas planas que ofrecen un fuerte confinamiento óptico debido al alto contraste índices entre el silicio (n=3,45) y el dióxido de silicio (n=1,45). Para poder mejorar el rendimiento de dispositivos fotónicos en silicio, la integración de materiales con propiedades excepcionales y compatibles con los procesos de fabricación CMOS surge como una excelente oportunidad para superar las actuales limitaciones de la tecnología de silicio al mismo tiempo que ofrece oportunidades novedosas y sin precedentes en la plataforma de silicio. En este sentido, el material titanato de bario (BaTiO3) se postula como uno de los candidatos más prometedores. El trabajo desarrollado en esta tesis está esencialmente enfocado en el diseño, fabricación y caracterización de un modulador electro-óptico basado en una estructura híbrida de BaTiO3 en silicio para la implementación de funcionalidades electro-ópticas de alto rendimiento más allá del estado del arte de las que no se puede disponer actualmente en la tecnología de fotónica de silicio. / La integració de funcionalitats òptiques amb alt rendiment portarà a un gran desenvolupament en el camp de la nanofotònica per a un ampli ventall d'aplicacions. Actualment, la fotònica de silici és la tecnologia capdavantera per a la implementació de dispositius fotònics integrats a baix cost. El gran potencial d'aquesta tecnologia resideix en la seva compatibilitat amb les madures tècniques de fabricació de circuits integrats de silici basades en els processos "complementary metal-oxide semiconductor" (CMOS) amplament utilitzats en la indústria microelectrònica i la disponibilitat de disposar d'hòsties de silici sobre aïllant d'alta qualitat, una plataforma ideal per crear circuits de guia d'ones planes que ofereixen un fort confinament òptic a causa de l'alt contrast d'índexs entre el silici (n=3,45) i el diòxid de silici (n=1,45). Per poder millorar el rendiment de dispositius fotònics en silici, la integració de materials amb propietats excepcionals i compatibles amb els processos de fabricació CMOS sorgeix com una excel·lent oportunitat per superar les actuals limitacions de la tecnologia de silici al mateix temps que ofereix oportunitats noves i sense precedents en la plataforma de silici. En aquest sentit, el material titanat de bari (BaTiO3) es postula com un dels candidats més prometedors. El treball desenvolupat en aquesta tesi està essencialment enfocat en el disseny, fabricació i caracterització d'un modulador electro-òptic basat en una estructura híbrida de BaTiO3 en silici per a la implementació de funcionalitats electro-òptiques d'alt rendiment més enllà de l'estat de l'art de les quals no es pot disposar actualment a la tecnologia de fotònica de silici. / Castera Molada, P. (2017). Development of new photonic devices based on barium titanate in silicon [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86197

Integrated microwave photonics changes the scaling laws of information and communication systems offering architectural choices that combine photonics with electronics to optimize performance, power, footprint and cost. Application Specific Photonic Integrated Circuits, where particular circuits/chips are designed to optimally perform particular functionalities, require a considerable number of design and fabrication iterations leading to long-development times and costly implementations. A different approach inspired by electronic Field Programmable Gate Arrays is the programmable Microwave Photonic processor, where a common hardware implemented by the combination of microwave, photonic and electronic subsystems, realizes different functionalities through programming. Here, we propose the first-ever generic-purpose Microwave Photonic processor concept and architecture. This versatile processor requires a powerful end-to-end field-based analytical model to optimally configure all their subsystems as well as to evaluate their performance in terms of the radiofrequency gain, noise and dynamic range. Therefore, we develop a generic model for integrated Microwave Photonics systems. The key element of the processor is the reconfigurable optical core. It requires high flexibility and versatility to enable reconfigurable interconnections between subsystems as well as the synthesis of photonic integrated circuits. For this element, we focus on a 2-dimensional photonic waveguide mesh based on the interconnection of tunable couplers. Within the framework of this Thesis, we have proposed two novel interconnection schemes, aiming for a mesh design with a high level of versatility. Focusing on the hexagonal waveguide mesh, we explore the synthesis of a high variety of photonic integrated circuits and particular Microwave Photonics applications that can potentially be performed on a single hardware. In addition, we report the first-ever demonstration of such reconfigurable waveguide mesh in silicon. We demonstrate a world-record number of functionalities on a single photonic integrated circuit enabling over 30 different functionalities from the 100 that could be potentially obtained with a simple seven hexagonal cell structure. The resulting device can be applied to different fields including communications, chemical and biomedical sensing, signal processing, multiprocessor networks as well as quantum information systems. Our work is an important step towards this paradigm and sets the base for a new era of generic-purpose photonic integrated systems. / Los dispositivos integrados de fotónica de microondas ofrecen soluciones optimizadas para los sistemas de información y comunicación. Generalmente, están compuestos por diferentes arquitecturas en las que subsistemas ópticos y electrónicos se integran para optimizar las prestaciones, el consumo, el tamaño y el coste del dispositivo final. Hasta ahora, los circuitos/chips de propósito específico se han diseñado para proporcionar una funcionalidad concreta, requiriendo así un número considerable de iteraciones entre las etapas de diseño, fabricación y medida, que origina tiempos de desarrollo largos y costes demasiado elevados. Una alternativa, inspirada por las FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array), es el procesador fotónico programable. Este dispositivo combina la integración de subsistemas de microondas, ópticos y electrónicos para realizar, mediante la programación de los mismos y sus interconexiones, diferentes funcionalidades. En este trabajo, proponemos por primera vez el concepto del procesador de propósito general, así como su arquitectura. Además, con el fin de diseñar, optimizar y evaluar las prestaciones básicas del dispositivo, hemos desarrollado un modelo analítico extremo a extremo basado en las componentes del campo electromagnético. El modelo desarrollado proporciona como resultado la ganancia, el ruido y el rango dinámico global para distintas configuraciones de modulación y detección, en función de los subsistemas y su configuración. El elemento principal del procesador es su núcleo óptico reconfigurable. Éste requiere un alto grado de flexibilidad y versatilidad para reconfigurar las interconexiones entre los distintos subsistemas y para sintetizar los circuitos para el procesado óptico. Para este subsistema, proponemos el diseño de guías de onda reconfigurables para la creación de mallados bidimensionales. En el marco de esta tesis, hemos propuesto dos nuevos nodos de interconexión óptica para mallas reconfigurables, con el objetivo de obtener un mayor grado de versatilidad. Una vez escogida la malla hexagonal para el núcleo del procesador, hemos analizado la configuración de un gran número de circuitos fotónicos integrados y de funcionalidades de fotónica de microondas. El trabajo se ha completado con la demonstración de la primera malla reconfigurable integrada en un chip de silicio, demostrando además la síntesis de 30 de las 100 funcionalidades que potencialmente se pueden obtener con la malla diseñada compuesta de 7 celdas hexagonales. Este hecho supone un record frente a los sistemas de propósito específico. El sistema puede aplicarse en diferentes campos como las comunicaciones, los sensores químicos y biomédicos, el procesado de señales, la gestión y procesamiento de redes y los sistemas de información cuánticos. El conjunto del trabajo realizado representa un paso importante en la evolución de este paradigma, y sienta las bases para una nueva era de dispositivos fotónicos de propósito general. / Els dispositius integrats de Fotònica de Microones oferixen solucions optimitzades per als sistemes d'informació i comunicació. Generalment, estan compostos per diferents arquitectures en què subsistemes òptics i electrònics s'integren per a optimitzar les prestacions, el consum, la grandària i el cost del dispositiu final. Fins ara, els circuits/xips de propòsit específic s'han dissenyat per a proporcionar una funcionalitat concreta, requerint així un nombre considerable d'iteracions entre les etapes de disseny, fabricació i mesura, que origina temps de desenrotllament llargs i costos massa elevats. Una alternativa, inspirada per les FPGA (de l'anglés Field Programmable Gate Array), és el processador fotònic programable. Este dispositiu combina la integració de subsistemes de microones, òptics i electrònics per a realitzar, per mitjà de la programació dels mateixos i les seues interconnexions, diferents funcionalitats. En este treball proposem per primera vegada el concepte del processador de propòsit general, així com la seua arquitectura. A més, a fi de dissenyar, optimitzar i avaluar les prestacions bàsiques del dispositiu, hem desenrotllat un model analític extrem a extrem basat en els components del camp electromagnètic. El model desenrotllat proporciona com resultat el guany, el soroll i el rang dinàmic global per a distintes configuracions de modulació i detecció, en funció dels subsistemes i la seua configuració. L'element principal del processador és el seu nucli òptic reconfigurable. Este requerix un alt grau de flexibilitat i versatilitat per a reconfigurar les interconnexions entre els distints subsistemes i per a sintetitzar els circuits per al processat òptic. Per a este subsistema, proposem el disseny de guies d'onda reconfigurables per a la creació de mallats bidimensionals. En el marc d'esta tesi, hem proposat dos nous nodes d'interconnexió òptica per a malles reconfigurables, amb l'objectiu d'obtindre un major grau de versatilitat. Una vegada triada la malla hexagonal per al nucli del processador, hem analitzat la configuració d'un gran nombre de circuits fotónicos integrats i de funcionalitats de fotónica de microones. El treball s'ha completat amb la demostració de la primera malla reconfigurable integrada en un xip de silici, demostrant a més la síntesi de 30 de les 100 funcionalitats que potencialment es poden obtindre amb la malla dissenyada composta de 7 cèl·lules hexagonals. Este fet suposa un rècord enfront dels sistemes de propòsit específic. El sistema pot aplicarse en diferents camps com les comunicacions, els sensors químics i biomèdics, el processat de senyals, la gestió i processament de xarxes i els sistemes d'informació quàntics. El conjunt del treball realitzat representa un pas important en l'evolució d'este paradigma, i assenta les bases per a una nova era de dispositius fotónicos de propòsit general. / Pérez López, D. (2017). Integrated Microwave Photonic Processors using Waveguide Mesh Cores [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/91232

El incesante aumento de ancho de banda por parte de los usuarios finales que requieren actualmente los servicios que ofrecen Internet, vídeo de alta definición, aplicaciones multimedia o juegos on-line hace que las modulaciones avanzadas jueguen un papel fundamental en las redes ópticas. La técnica OOFDM (\emph{Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing}) ha sido ampliamente utilizada como solución para las redes de comunicaciones, gracias a las ventajas que ofrece en cuanto a su resistencia a la dispersión cromática y de polarización, su adaptabilidad a variaciones del canal o su alta eficiencia espectral. La técnica de modulación OFDM data del siglo pasado, si bien es cierto que su implementación digital le ha dado un impulso importante en las últimas décadas. A partir de una serie de símbolos modulados, esta técnica asocia cada uno de los símbolos a una portadora. El conjunto de todas las portadoras es lo que se conoce como símbolo OFDM, siendo la señal OFDM el conjunto de todos los símbolos OFDM generados. La relación que deben cumplir las portadoras entre sí, los diferentes tipos de símbolos OFDM, las extensiones cíclicas o la estimación del canal son algunos de los bloques que describiremos con detalle a lo largo de esta memoria. La generación de señales OFDM moduladas en intensidad y detectadas de forma directa a partir de modulaciones en doble banda lateral dan lugar a un uso ineficiente del espectro, además de que sufren penalizaciones importantes debido a la dispersión cromática. De forma alternativa, las modulaciones en banda lateral única evitan este inconveniente. En este trabajo presentaremos un esquema original de transmisión de señales ópticas OFDM basado en la modulación de banda lateral única que permite un uso del espectro más eficiente. Consiste en la definición de canales pareados que incluyen dos portadoras espectralmente próximas moduladas, cada una de ellas con la banda lateral única externa. Por otra parte, esta tesis ofrece una solución de bajo coste para la implementación de transmisores WDM-OFDM basados en el uso de fuentes ópticas anchas. A pesar de que la dispersión cromática impide el uso de estas fuentes, se propone la utilización de determinadas estructuras previas a la recepción de la señal óptica que habilitan la transmisión de señales OFDM en enlaces ópticos. A lo largo de este trabajo se demuestra experimentalmente cómo la utilización de un interferómetro Mach-Zehnder con el diseño adecuado permite la utilización de fuentes ópticas anchas en un sistema tolerante a la dispersión. Se estudiarán todos los parámetros que afectan a la transmisión de las señales, con el fin de definir el funcionamiento óptimo de estos sistemas con especial énfasis en el trabajo experimental, pero facilitando la comprensión teórica de los mismos. Como ejemplo de la flexibilidad de los sistemas propuestos, se demostrará la transmisión de señales OFDM multibanda, compuestas por diferentes bandas OFDM que aportan mayor eficiencia en el uso del espectro eléctrico. De nuevo, un diseño adecuado del interferómetro Mach-Zehnder aportará una solución adaptativa en función de las necesidades del usuario en cada instante, tal y como demostrarán los resultados experimentales. Así pues, esta Tesis Doctoral, presentada para la obtención del título de Doctor en Telecomunicaciones, propone y demuestra soluciones avanzadas, novedosas y eficientes para la transmisión de señales OFDM en las redes ópticas, que serán también validadas a lo largo de la Tesis en el marco de la tecnología DWDM con el fin de explorar su potencial de cara a su implementación en las redes futuras. / The increasing demand of bandwidth per end-user required by current Internet services, high-definition video, multimedia applications or on-line gaming drives the advanced modulations to play a significant role in optical networks. OOFDM (Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing) has been widely employed as a solution for network communications due to its advantages, such as overcoming chromatic and polarization dispersion impairments, its adaptability to channel variations and its high spectral efficiency. The modulation technique OFDM dates from the last century, while it is true that its digital implementation has given a boost in the last decades. From a list of modulated symbols, this technique maps each one with a carrier. The set of every carriers forms an OFDM symbol, and the set of every OFDM symbols results in the OFDM signal. The conditions that carriers must satisfy, the different kind of OFDM symbols, the cyclic extensions or the channel estimation are some of the blocks that will be described in-depth along this work. The generation of OFDM signals, intensity modulated and directly detected, from double sideband modulations results in an inefficient use of the spectrum, adding the power fading related to the chromatic dispersion. Alternatively, the single band modulations avoid this drawback. In this work, we are introducing an original scheme of transmission of optical OFDM signals based on the single band modulation that makes a better use of the spectrum. It consists of the definition of paired channels. Each one includes two optical carriers with a narrow spectral separation, and the external single sideband. Furthermore, this Thesis provides a low-cost solution for the implementation of WDM-OFDM transmitters based on the use of broadband sources. Despite the chromatic dispersion avoids the use of this kind of optical sources, the inclusion of some structures before the detection enable the transmission of OFDM signals in optical links. The use of a Mach-Zehnder interferometer, properly designed, enables the use of broadband sources in a dispersion tolerant scheme, as will be experimentally demonstrated. Moreover, every parameter that concerns the transmission of the signals will be studied, with the goal of defining the optimal operation of these systems. Despite the emphasis is focused in the experimental experiences, the theoretical comprehension is also taken into account. As an example of the flexibility of the introduced systems, the transmission of multiband OFDM signals will also be demonstrated. Different OFDM bands form these signals, increasing the electric spectrum efficiency. Once again, the proper design of the Mach-Zehnder interferometer will result in an adaptive solution regarding the end-user requirements in each moment, as the experimental results will confirm. Therefore, this Doctoral Thesis, introduced for gaining the title of Philosophae Doctor in Telecommunications, proposes and demonstrates advanced, novel and efficient solutions for the transmission of OFDM signals in optical networks. They will also be validated along the Thesis in the context of the DWDM technology, for exploring their potential as a candidate for implementation in future networks. / L'incessant augment d'amplada de banda per part dels usuaris finals que requereixen actualment els serveis que ofereixen Internet, vídeo d'alta definició, aplicacions multimèdia o jocs en línia fan que les modulacions avançades tinguen un paper fonamental en les xarxes òptiques. La tècnica OOFDM (\emph{Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing}) ha estat àmpliament utilitzada com a solució per a les xarxes de comunicacions, gràcies als avantatges que ofereix quant a resistència a la dispersió cromàtica i de polarització, la seua adaptabilitat a variacions del canal o la seua alta eficiència espectral. La tècnica de modulació OFDM data del segle passat, si bé és cert que la seua implementació digital li ha donat una espenta important en les últimes dècades. A partir d'una sèrie de símbols modulats, aquesta tècnica associa cadascun dels símbols a una portadora. El conjunt de totes les portadores es coneix com a símbol OFDM, sent el senyal OFDM el conjunt de tots els símbols OFDM generats. La relació que han de complir les portadores entre elles, els diferents tipus de símbols OFDM, les extensions cícliques o l'estimació de canal són alguns dels blocs que descriurem amb detall al llarg d'aquesta memòria. La generació de senyals OFDM modulats en intensitat i detectats de forma directa a partir de modulacions en doble banda lateral donen lloc a un ús ineficient de l'espectre, a més que pateixen penalitzacions importants a causa de la dispersió cromàtica. Alternativament, les modulacions en banda lateral única eviten aquest inconvenient. En aquest treball presentarem un esquema original de transmissió de senyals òptics OFDM basat en la modulació de banda lateral única que permet un ús de l'espectre més eficient. Consisteix en la definició de canals emparellats que inclouen dues portadores espectralment pròximes modulades, cadascuna d'elles amb la banda lateral única externa. Per altra banda, aquesta Tesi ofereix una solució de baix cost per a la implementació de transmissors WDM-OFDM basats en l'ús de fonts òptiques amples. Malgrat que la dispersió cromàtica impedeix l'ús d'aquestes fonts, es proposa la utilització de determinades estructures prèvies a la recepció del senyal òptic que habiliten la transmissió de senyals OFDM en enllaços òptics. Al llarg d'aquest treball es demostra experimentalment com la utilització d'un interferòmetre Mach-Zehnder amb el disseny adequat permet la utilització de fonts òptiques amples en un sistema tolerant a la dispersió. S'estudiaran tots els paràmetres que afecten la transmissió de senyals, amb l'objectiu de definir el funcionament òptim d'aquests sistemes amb especial èmfasi en el treball experimental, però facilitant la seua comprensió teòrica. Com a exemple de flexibilitat dels sistemes proposats, es demostrarà la transmissió de senyals OFDM multibanda, compostos per diferents bandes OFDM que aporten major eficiència en l'ús de l'espectre elèctric. De nou, un disseny adequat de l'interferòmetre Mach-Zehnder aportarà una solució adaptativa en funció de les necessitats de l'usuari en cada instant, tal com demostraran els resultats experimentals. Així doncs, aquesta Tesi Doctoral, presentada per a l'obtenció del títol de Doctor en Telecomunicacions, proposa i demostra solucions avançades, noves i eficients per a la transmissió de senyals OFDM en les xarxes òptiques, que seran també validades al llarg de la Tesi en el marc de la tecnologia DWDM amb l'objectiu d'explorar els seus potencials de cara a la seua implementació en les futures xarxes. / Chicharro López, FI. (2018). TÉCNICAS ÓPTICAS DE TRANSMISIÓN AVANZADAS PARA REDES OOFDM-WDM [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107313

La fotónica de silicio es actualmente la tecnología mejor posicionada para reemplazar las conexiones electrónicas tanto dentro de los mismos chips, como entre ellos mismos, con el fin de mejorar su rendimiento. Las principales ventajas de la tecnología fotónica de silicio residen en su bajo coste y en su compatibilidad con las actuales técnicas de fabricación desarrolladas por la industria microelectrónica. Dicha compatibilidad permitiría fabricar tanto chips ópticos como chips híbridos que incluyan componentes ópticos y electrónicos. Los moduladores y los conmutadores optoelectrónicos resultan dispositivos fundamentales en aplicaciones de telecomunicaciones. Las principales funciones de los conmutadores y moduladores optoelectrónicos son el enrutamiento y la transmisión de datos de alta velocidad. Esta tesis aborda el diseño y la optimización de la parte eléctrica y óptica (en menor medida) con el fin de optimizar el rendimiento de tales dispositivos desde el punto de vista optoelectrónico. Además, también se tratará la introducción de nuevos materiales compatibles con el silicio y sus procesos de fabricación, como el dióxido de vanadio o el titanato de bario con el fin de demostrar sus propiedades y aplicarlas a los dispositivos optoelectrónicos con el fin de mejorar su rendimiento. / Silicon photonics is nowadays the most promising technology to replace electrical inter- and intra-connections of the chips, increasing the performance in this way. The main advantages of silicon photonics technology lie on its low cost and its compatibility with the fabrications processes of microelectronics industry developed during years which allows the mass production of silicon photonics chips as well hybrid electronic and photonic devices in the same chip. Optoelectronics switches and modulators are key building blocks in photonic devices for tele/datacom applications. Such switches and modulators are devices which provides routing functionalities and the transmission of high speed data respectively. The work of this thesis delves with the design and optimization of silicon based switches and modulators spotlighting the electrical elements. Additionally, the work of this theses deals with the introduction of new silicon-compatible materials as vanadium dioxide and barium titanate, with the aim of demonstrating its functionalities and develop high-performance optoelectronic devices. / La fotònica de silici és actualment la tecnologia millor posicionada per a reemplaçar les connexions electròniques tant dins del propis xips, com entre ells mateixos, amb la finalitat de millorar el seu rendiment. Els principals avantatges de la tecnologia fotònica de silici resideixen en el seu baix cost i en la seua compatibilitat amb les actuals tècniques de fabricació desenvolupades per la indústria microelectrònica. Aquesta compatibilitat permetria fabricar tant xips òptics com a xips híbrids que incloguen components òptics i electrònics. Els moduladors i els commutadors optoelectrònics resulten dispositius fonamentals en aplicacions de telecomunicacions. Les principals funcions dels commutadors i moduladors optoelectrònics són l'encaminament i la transmissió de dades d'alta velocitat. Aquesta tesi aborda el disseny i l'optimització de la part elèctrica i òptica (en menor mesura) amb la finalitat d'optimitzar el rendiment de tals dispositius des del punt de vista optoelectrònic. A més, també es tractarà la introducció de nous materials compatibles amb el silici i els seus processos de fabricació, com el diòxid de vanadi o el titanato de bari amb la finalitat de demostrar les seues propietats i aplicar-les als dispositius optoelectrònics amb la finalitat de millorar el seu rendiment. / Rosa Escutia, Á. (2018). High-efficient electrodes for novel optoelectronic devices in silicon photonics [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/110364

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

[ES] La cantidad de servicios de telecomunicación se ha incrementado signiticativamente en las últimas décadas. El uso de teléfonos inteligentes, así como el Internet de las Cosas, está generando una saturación del espectro electromágnetico. Por tanto, los requisitos de los sistemas de microondas han cambiado para adaptarse a estos nuevos avances. Para satisfacer estas necesidades, se busca el desarrollo de dispositivos de bajo coste, volumen, peso y consumo. Además, interesa que sean espectralmente eficientes y fácilmente integrables con otros dispositivos. Entre todos los dispostivos de microondas, los filtros son elementos clave dentro de los sistemas de comunicaciones móviles e inalámbricas. Es por ello que el diseño de filtros que cumplan con los requisitos mencionados se ha convertido en un tema de gran interés. Para dar respuesta a este problema ha surgido la tecnología de Guía de Onda Integrada en Sustrato (Substrate Integrated Waveguide (SIW)), que permite la implementación de filtros con un reducido tamaño y fácilmente integrables con otros dispositivos en tecnología planar. Dicha tecnología presenta unas prestaciones en cuanto a manejo de potencia y pérdidas mejores que la tecnología de circuito impreso (Printed Circuit Board (PCB)), aunque no llegan a ser iguales que las de la guía de onda clásica. Por otro lado, la saturación espectral también lleva al estudio de filtros con respuestas variables en frecuencia, es decir, que puedan cambiar su frecuencia central y ancho de banda con el fin de adaptarse a las necesidades del sistema. Por ello, el objetivo general de esta Tesis es el análisis y diseño de nuevos filtros reconfigurables en tecnología integrada. El trabajo empieza con el estudio de los fundamentos de los filtros de microondas hasta llegar al diseño de resonadores reconfigurables en tecnología SIW usando el cristal líquido como material de reconfiguración. En primer lugar, se ha estudiado la influencia que los cambios en el valor de la permitividad dieléctrica en el interior de las estructuras filtrantes pueden tener en la respuesta de las mismos. En particular, se desarrollan filtros alternando secciones de línea con y sin dieléctrico dentro de una SIW vacía, Empty Substrate Integrated Waveguide (ESIW). Una vez hecho esto, se procede al estudio de materiales que tengan un valor de permitividad dieléctrica variable de alguna forma. En concreto, se ha realizado la caracterización de diferentes mezclas de cristal líquido a la frecuencia de microondas. Dicho material cambia su valor de permitividad cuando se le aplica un campo eléctrico o magnético. Dado que para la reconfiguración de la respuesta de los filtros se requiere de una estructura desacoplada en baja frecuencia, es decir, con más de un conductor, se ha desarrollado una estrategia para el desacoplo de la estructuras ESIW, la tecnología Decoupled Empty Substrate Integrated Waveguide (DESIW). Por último, se han diseñado resonadores en dicha tecnología DESIW, que se han llenado de cristal líquido y aplicado unos campos de polarización, consiguiendo variar su respuesta en frecuencia. Dichos resonadores constituyen el elemento básico para el desarrollo de filtros de microondas. Es por ello que el conocimiento obtenido en la Tesis es una buena base para futuros trabajos esta tecnología que permitan conseguir filtros de altas prestaciones. / [CA] La quantitat de serveis de telecomunicació s'ha incrementat significativament en les últimes dècades. L'ús de telèfons intel$\cdot$ligents, així com la internet de les coses, està generant una saturació de l'espectre electromagnètic. Per tant, els requisits dels sistemes de microones han canviat per a adaptar-se a aquests nous avanços. Per a satisfer aquestes necessitats, se cerca el desenvolupament de dispositius de baix cost, volum, pes i consum. A més, interessa que siguen espectralment eficients i fàcilment integrables amb altres dispositius. Entre tots els dispositius de microones, els filtres són elements clau dins dels sistemes de comunicacions mòbils i sense fil. És per això que el disseny de filtres que complisquen els requisits esmentats s'ha convertit en un tema de gran interès. Per a donar resposta a aquest problema ha sorgit la tecnologia de Guia d'Ona Integrada en Substrat (Substrate Integrated Waveguide (SIW)), que permet la implementació de filtres amb una reduïda grandària i fàcilment integrables amb altres dispositius en tecnologia planar. Aquesta tecnologia presenta unes prestacions quant a maneig de potència i pèrdues millors que la tecnologia de circuit imprès (Printed Circuit Board (PCB)), encara que no arriben a ser iguals que les de la guia d'ona clàssica. D'altra banda, la saturació espectral també porta a l'estudi de filtres amb respostes variables en freqüència, és a dir, que puguen canviar la seua freqüència central i l'amplada de banda amb la finalitat d'adaptar-se a les necessitats del sistema. Per això, l'objectiu general d'aquesta tesi és l'anàlisi i el disseny de nous filtres reconfigurables en tecnologia integrada. El treball comença amb l'estudi dels fonaments dels filtres de microones, fins a arribar al disseny de ressonadors reconfigurables en tecnologia SIW usant el cristall líquid com a material de reconfiguració. En primer lloc, s'ha estudiat la influència que els canvis en el valor de la permitivitat dielèctrica a l'interior de les estructures filtrants poden tenir en la resposta d'aquestes. En particular, es desenvolupen filtres que alternen seccions de línia amb dielèctric i sense dins d'una SIW buida, Empty Substrate Integrated Waveguide (ESIW). Una vegada fet això, es procedeix a l'estudi de materials que tinguen un valor de permitivitat dielèctrica variable d'alguna forma. En concret, s'ha realitzat la caracterització de diferents mescles de cristall líquid a la freqüència de microones. Aquest material canvia el seu valor de permitivitat quan se li aplica un camp elèctric o magnètic. Atès que per a la reconfiguració de la resposta dels filtres es requereix una estructura desacoblada en baixa freqüència, és a dir, amb més d'un conductor, s'ha desenvolupat una estratègia per al desacoblament d'estructures ESIW, la tecnologia Decoupled Empty Substrate Integrated Waveguide (DESIW). Finalment, s'han dissenyat ressonadors en aquesta tecnologia DESIW, que s'han omplit de cristall líquid i aplicat uns camps de polarització, i s'ha aconseguit variar la seua resposta en freqüència. Aquests ressonadors constitueixen l'element bàsic per al desenvolupament de filtres de microones. És per això que el coneixement obtingut en la tesi és una bona base per a futurs treballs d'aquesta tecnologia que permeten aconseguir filtres d'altes prestacions. / [EN] The number of telecommunication services has increased significantly in recent decades. The use of smartphones, as well as the Internet of Things, is generating a saturation of the electromagnetic spectrum. Therefore, the requirements of microwave systems have changed to adapt to these new developments and related challenges. For achieving these needs, the development of devices with low cost, volume, weight and power consumption is sought. In addition, it interests to be spectrally efficient, to offer high performance, and to be easily integrated with other devices. Among all microwave devices, filters are key elements within mobile and wireless communication systems. In this context, the design of filters that meet the aforementioned requirements has become a topic of great interest. For solving this problem, Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology has emerged, which allows the implementation of filters with a small size and to be easily integrated with other devices in planar technology. This technology has better power handling and loss performance than Printed Circuit Board (PCB) technology, although they do not have the performance of the classic waveguide counterpart. On the other hand, the spectral saturation also leads to the study of filters with tunable frequency response, that is, they can change their central frequency and bandwidth, in order to fulfil the changing system requirements. Therefore, the general objective of this PhD Thesis work is the analysis and design of new reconfigurable filters in integrated technology. The work begins with the study of the basics of microwave filters until the design of reconfigurable resonators in SIW technology, using Liquid Crystal (LC) as reconfiguration material. Firstly, the influence that the change of the dielectric permittivity value inside the filtering structures have on the frequency response has been studied. Particularly, filters have been obtained by alternating line sections with and without dielectric material inside an empty SIW (Empty Substrate Integrated Waveguide (ESIW)). Once this is done, it is proceed to the study of materials that have a variable dielectric permittivity value. Specifically, the characterization of different LC mixtures at microwave frequencies has been carried out. This material changes its permittivity value when an electric or magnetic bias field is applied. A low-frequency decoupled structure is required for the reconfiguration of filters, that is, structures with more than one conductor. For that, a strategy for decoupling ESIW structures has been developed, i.e, the Decoupled Empty Substrate Integrated Waveguide (DESIW) technology. Finally, some resonators have been designed in DESIW technology, which have been filled with LC. The use of LC allows to tune their frequency response. These resonators are basic elements for the development of microwave filters. So that, the knowledge obtained in this Thesis work is a good basis for future works in this technology that allow for achieving high performance filters. / Sánchez Marín, JR. (2019). Reconfigurable Devices using Liquid Crystal at Microwave Frequencies in Substrate Integrated Waveguide [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/132183

[ES] La quinta generación de comunicaciones móviles, 5G, promete ser una revolución tecnológica que vaya más allá de multiplicar la velocidad de transmisión de datos de sus predecesoras. Pretende soportar una gran cantidad de dispositivos y alcanzar latencias muy cercanas a 1 milisegundo. Para satisfacer estos ambiciosos requisitos, se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras. Una de ellas es el uso de las bandas de ondas milimétricas (mmW) en las cuales hay una gran cantidad de espectro disponible. Para predecir las características del canal radio y evaluar las prestaciones de la 5G de forma fiable en las bandas mmW se requieren modelos de canal complejos. Concretamente, los modelos de propagación más precisos son los basados en trazado de rayos, pero su alto costo computacional los hacen inviables para la caracterización del canal radio en escenarios complejos. Por otro lado, en los últimos años, la tecnología de videojuegos ha desarrollado potentes herramientas para modelar la propagación de la luz en escenarios superrealistas. Dada la cercanía espectral entre el espectro visible y las ondas mmW, la presente Tesis ha estudiado la aplicación de las herramientas de modelado de propagación de la luz de los motores de juego para el modelado del canal radio en mmW. Esta Tesis propone un modelo de estimación de las pérdidas de propagación en mmW llamado "Modelo de Intensidad de Luz'' (LIM). Usando este modelo, basado en los procesos de iluminación realizados por los motores de juego, los transmisores de señal se sustituyen por focos de luz y la intensidad lumínica recibida en un punto se traduce a potencia de señal en milimétricas a través de una función polinómica sencilla. Una de las ventajas de usar los motores de juego es su gran capacidad y la facilidad que tiene el usuario para crear escenarios superrealistas que representen fielmente la geometría de escenarios donde se quiera evaluar el canal radio. De esta forma se pueden obtener estimaciones precisas de las pérdidas de propagación. La estimación de las pérdidas de propagación con LIM ha sido comparada con campañas de medida en las bandas de 28 GHz y 73 GHz y con otros modelos de propagación. Como resultado, el error de estimación de LIM es menor que los modelos estocásticos actuales y es comparable con el modelo de trazado de rayos. Y, además, el coste computacional de LIM comparado con el trazado de rayos es 130 veces menor, lo que posibilita el uso de LIM en escenarios altamente complejos para la estimación del canal radio en tiempo real. Los motores de juego permiten caracterizar de forma diferente la interacción de los materiales con la luz configurando el mapa de normales de sus superficies y sus funciones de dispersión y reflexión. En esta Tesis se ha determinado la caracterización de varios materiales que mejor se ajusta a medidas de laboratorio realizadas en un escenario controlado en la banda de 28 GHz. El modelo de LIM empleando materiales con esta caracterización óptima reduce más de un 50\% su error de estimación con respecto a la aplicación de LIM con los materiales por defecto, mientras que su coste computacional sigue siendo 26 veces menor que el modelo de trazado de rayos. Finalmente, se ha desarrollado sobre un motor de juego una primera versión de plataforma para la emulación de los sistemas 5G que es el punto de partida para un emulador completo de 5G. Esta plataforma no sólo contiene el modelo de LIM sino que incluye varios casos de uso de la 5G en entornos superrealistas. La plataforma, que se basa en el concepto de "Serious Game Engineering", rompe las limitaciones de los simuladores de redes móviles en cuanto a las capacidades de visualización e interacción del usuario con los componentes de la red en tiempo real. / [CA] La cinquena generació de comunicacions mòbils, 5G, promet ser una revolució tecnològica que vaja més enllà de multiplicar la velocitat de transmissió de dades de les seues predecessores. Pretén suportar una gran quantitat de dispositius i aconseguir latències molt pròximes a 1 mil·lisegon. Per a satisfer aquests ambiciosos requisits, s'han investigat noves tecnologies habilitadores. Una d'elles és l'ús de les bandes d'ones mil·limètriques (mmW) en les quals hi ha una gran quantitat d'espectre disponible. Per a predir les característiques del canal ràdio i avaluar les prestacions de la 5G de forma fiable en les bandes mmW es requereixen models de canal complexos. Concretament, els models de propagació més precisos són els basats en traçat de rajos, però el seu alt cost computacional els fan inviables per a la caracterització del canal ràdio en escenaris complexos. D'altra banda, en els últims anys, la tecnologia de videojocs ha desenvolupat potents eines per a modelar la propagació de la llum en escenaris superrealistes. Donada la proximitat espectral entre l'espectre visible i les ones mmW, la present Tesi ha estudiat l'aplicació de les eines de modelatge de propagació de la llum dels motors de joc per al modelatge del canal radie en mmW. Aquesta Tesi proposa un model d'estimació de les pèrdues de propagació en mmW anomenat "Model d'Intensitat de Llum'' (LIM). Usant aquest model, basat en els processos d'il·luminació realitzats pels motors de joc, els transmissors de senyal se substitueixen per focus de llum i la intensitat lumínica rebuda en un punt es tradueix a potència de senyal en mil·limètriques a través d'una funció polinòmica senzilla. Una dels avantatges d'usar els motors de joc és la seua gran capacitat i la facilitat que té l'usuari per a crear escenaris superrealistes que representen fidelment la geometria d'escenaris on es vulga avaluar el canal ràdio. D'aquesta forma es poden obtindre estimacions precises de les pèrdues de propagació. L'estimació de les pèrdues de propagació amb LIM ha sigut comparada amb campanyes de mesura en les bandes de 28~GHz i 73~GHz i amb altres models de propagació. Com a resultat, l'error d'estimació de LIM és menor que els models estocàstics actuals i és comparable amb el model de traçat de rajos. I, a més, el cost computacional de LIM comparat amb el traçat de rajos és 130 vegades menor, la qual cosa possibilita l'ús de LIM en escenaris altament complexos per a l'estimació del canal ràdio en temps real. Els motors de joc permeten caracteritzar de forma diferent la interacció dels materials amb la llum configurant el mapa de normals de les seues superfícies i les seues funcions de dispersió i reflexió. En aquesta Tesi s'ha determinat la caracterització de diversos materials que s'ajusta millor a mesures de laboratori realitzades en un escenari controlat en la banda de 28 GHz. El model de LIM emprant materials amb aquesta caracterització òptima redueix més d'un 50 % el seu error d'estimació respecte a l'aplicació de LIM amb els materials per defecte, mentre que el seu cost computacional continua sent 26 vegades menor que el model de traçat de rajos. Finalment, s'ha desenvolupat sobre un motor de joc una primera versió de plataforma per a l'emulació dels sistemes 5G que és el punt de partida per a un emulador complet de 5G. Aquesta plataforma no solament conté el model de LIM sinó que inclou diversos casos d'ús de la 5G en entorns superrealistes. La plataforma, que es basa en el concepte de "Serious Game Engineering", trenca les limitacions dels simuladors de xarxes mòbils quant a les capacitats de visualització i interacció de l'usuari amb els components de la xarxa en temps real. / [EN] The fifth generation of mobile communications, 5G, promises to be a technological revolution that goes beyond multiplying the data transmission speed of its predecessors. It aims to support a large number of devices and reach latencies very close to 1 millisecond. To meet these ambitious requirements, new enabling technologies have been researched. One of these is the use of millimetre-wave bands (mmW) in which a large amount of spectrum is available. Complex channel models are required to predict radio channel characteristics and reliably evaluate 5G performance in the mmW bands. Specifically, the most accurate propagation models are those based on ray tracing, but their high computational cost makes them unfeasible for radio channel characterization in complex scenarios. On the other hand, in recent years, video game technology has developed powerful tools to model the propagation of light in super realistic scenarios. Given the spectral closeness between the visible spectrum and the mmW waves, the present Thesis has studied the application of light propagation modeling tools from game engines for radio channel modeling in mmW. This Thesis proposes a model for estimating propagation losses in mmW called "Light Intensity Model'' (LIM). Using this model, based on the lighting processes performed by the game engines, the signal transmitters are replaced by light sources and the light intensity received at a point is translated into signal strength in mmW through a simple polynomial function. One of the advantages of using the game engines is their great capacity and the ease with which the user can create super realistic scenarios that faithfully represent the geometry of scenarios where the radio channel is to be evaluated. In this way, accurate estimates of propagation losses can be obtained. The estimation of propagation losses with LIM has been compared with measurement campaigns in the 28 GHz and 73 GHz bands and with other propagation models. As a result, the LIM estimation error is smaller than the current stochastic models and is comparable with the ray tracing model. In addition, the computational cost of LIM compared to ray tracing is 130 times lower, allowing the use of LIM in highly complex scenarios for real-time radio channel estimation. The game engines allow to characterize in a different way the interaction of the materials with the light configuring the normal map of their surfaces and their scattering and reflection functions. In this Thesis it has been determined the characterization of several materials that best fits to laboratory measurements made in a controlled scenario in the 28 GHz band. The LIM model using materials with this optimal characterization reduces by more than 50% its estimation error with respect to the application of LIM with default materials, while its computational cost remains 26 times lower than the ray tracing model. Finally, a first version of a platform for the emulation of 5G systems has been developed on a game engine, which is the starting point for a complete 5G emulator. This platform not only contains the LIM model but also includes several 5G use cases in super realistic environments. The platform, which is based on the concept of "`Serious Game Engineering", breaks the limitations of mobile network simulators in terms of visualization capabilities and user interaction with network components in real time. / Inca Sánchez, SA. (2019). Serious Game Engineering and Lighting Models for the Realistic Emulation of 5G Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/132695

[ES] La presente tesis doctoral tiene como objetivo fundamental el desarrollo de nuevos componentes pasivos de microondas para bandas altas de frecuencia, que puedan llegar a operar, al menos, hasta la banda Ka. Estos nuevos componentes surgen en respuesta a la clara tendencia en el ámbito de las comunicaciones vía satélite de aumentar la frecuencia y el ancho de banda de trabajo, en aras de incrementar las velocidades de transmisión. Concretamente, se ha abordado el diseño de elementos básicos de un subsistema de comunicaciones vía satélite, como son las uniones en guía de onda y los filtros paso banda. Por una parte, se han desarrollado uniones compensadas en guía de onda double ridge (T en plano H, T en plano E y T mágica), superando las limitaciones en ancho de banda que presentan las uniones tradicionales construidas sobre guía rectangular. Se ha pretendido lograr el objetivo de desarrollar unas uniones capaces de interconectar elementos que cubran un amplio ancho de banda, lo que también incluye los filtros de nueva generación presentados en esta tesis. Por otro lado, se ha propuesto una novedosa técnica para el diseño de filtros paso banda con inversores de inmitancia, basada en el slope parameter. A diferencia de la técnica tradicional, este nuevo proceso tiene en cuenta la dependencia real de los elementos del filtro con la frecuencia, calculando y actualizando el slope parameter de cada resonador cargado con sus elementos de acoplo adyacentes en un proceso iterativo que llega a convergencia en pocas iteraciones. Así, este procedimiento basado en simulaciones electromagnéticas y cálculos, mejora la equivalencia entre el prototipo circuital y la estructura real sintetizada, ya que tiene en cuenta no sólo la dependencia con la frecuencia de los resonadores y los inversores individuales, sino también los efectos de carga que existen entre ellos. Además, se ha identificado que el mapeado en frecuencia elegido ha de ser el correcto para cada estructura y especificaciones del filtro. Como resultado, se obtienen unas mejores dimensiones iniciales, reduciendo de esta manera el coste computacional del paso final de optimización, que puede incluso llegar a ser innecesario en algunos casos. Este nuevo procedimiento se ha ilustrado mediante la síntesis de dos filtros de modo evanescente y mediante filtros radiantes que emplean una topología similar. Finalmente, se ha llevado a cabo el estudio de una nueva familia de filtros denominada Modified Hybrid Folded Rectangular Waveguide (MHFRW), que además de operar en las citadas bandas de frecuencia, son capaces de manejar altos niveles de potencia, son fáciles de diseñar y fabricar (sin requerir tornillos de sintonía en muchos casos) y además presentan bajas pérdidas. Todo ello con la ventaja añadida de poder poner un número de ceros de transmisión mayor al orden del filtro (filtros superelípticos) mediante el uso de stubs cortocircuitados de longitud adecuada. Para ilustrar su funcionamiento se han presentado dos ejemplos detallados. El primero de ellos, que no presenta ceros de transmisión, se ha diseñado mediante la nueva técnica del slope parameter. El segundo se trata de un filtro superelíptico, con 4 ceros de transmisión (2 antes de la banda de paso y 2 después) implementados con 4 stubs en un filtro de orden 3. Por último, se ha mostrado la gran potencialidad práctica de esta familia de filtros mediante su aplicación en complejos multiplexores para bancos de medida de intermodulación pasiva (PIM). / [CA] La present tesi doctoral té com a objectiu fonamental el desenvolupament de nous components passius de microones per a bandes altes de freqüència, que puguen arribar a operar almenys fins a la banda Ka. Aquests nous components sorgeixen en resposta a la clara tendència en l'àmbit de les comunicacions via satèl·lit d'augmentar la freqüència i l'amplada de banda de treball, a fi de incrementar les velocitats de transmissió. Concretament, s'ha abordat el disseny d'elements bàsics d'un subsistema de comunicacions via satèl·lit, com són les unions en guia d'ona i els filtres passabanda. D'una banda, s'han desenvolupat unions compensades en guia d'ona double ridge (T en pla H, T en pla E i T màgica), superant així les limitacions d'amplada de banda que presenten les unions tradicionals, construïdes sobre guia rectangular. S'ha pretès aconseguir l'objectiu de desenvolupar unes unions capaces d'interconnectar elements que cobrisquen una gran amplada de banda, cosa que inclou els filtres de nova generació presentats en aquesta tesi. D'altra banda, s'ha proposat una nova tècnica per al disseny de filtres passabanda amb inversors d'immitància, basada en l'slope parameter. A diferència de la tècnica tradicional, aquest nou procés té en compte la dependència real dels elements del filtre respecte de la freqüència, i calcula i actualitza l'slope parameter de cada ressonador carregat amb els elements d'acoblament adjacents, en un procés iteratiu que arriba a convergència en poques iteracions. Així, aquest procediment basat en simulacions electromagnètiques i càlculs millora l'equivalència entre el prototip circuital i l'estructura real sintetitzada, ja que té en compte no sols la dependència respecte de la freqüència dels ressonadors i els inversors individuals, sinó també els efectes de càrrega que hi ha entre aquests. A més, s'ha identificat que el mapatge en freqüència triat ha de ser el correcte per a cada estructura i especificacions del filtre. Com a resultat, s'obtenen unes millors dimensions inicials, i d'aquesta manera es redueix el cost computacional del pas final d'optimització, que fins i tot pot arribar a ser innecessari en alguns casos. Aquest nou procediment s'ha il·lustrat mitjançant la síntesi de dos filtres de mode evanescent i mitjançant filtres radiants que empren una topologia similar. Finalment, s'ha portat a terme l'estudi de una nova família de filtres denominada Modified Hybrid Folded Rectangular Waveguide (MHFRW), que, a més d'operar en les citades bandes de freqüència, són capaços de manejar alts nivells de potència, fàcils de dissenyar i fabricar (sense requerir caragols de sintonia en molts casos) i, a més, presenten baixes pèrdues. Tot això, amb l'avantatge afegit de poder posar un nombre de zeros de transmissió major que l'ordre del fltre (filtres superel·líptics) mitjançant l'ús de stubs curtcircuitats de longitud adequada. Per il·lustrar-ne el funcionament se n'han presentat dos exemples detallats. El primer d'aquests, que no presenta zeros de transmissió, s'ha dissenyat mitjançant la nova tècnica de l'slope parameter. El segon es tracta de un filtre superel·líptic, amb 4 zeros de transmissió (2 abans de la banda de pas i 2 després) implementats amb 4 slope en un filtre d'ordre 3. Finalment, s'ha mostrat la gran potencialitat pràctica d'aquesta família de filtres mitjançant l'aplicació en multiplexors complexos per a bancs de mesurament de la intermodulació passiva (PIM). / [EN] The main objective of this Ph.D. thesis is the development of new passive microwave components for high frequency bands, able to work at least up to Ka band. These new components aim at satisfying the needs of new communication systems, especially for satellite communications, where there is a trend to increase frequency and bandwidth of operation. Specifically, the design of basic hardware elements of satellite communication subsystems has been addressed, such as waveguide junctions and bandpass filters. On the one hand, compensated T-junctions have been developed in double ridge waveguide (H-plane T, E-plane T and magic T), in order to overcome the bandwidth limitations of traditional junctions built on rectangular waveguide technology. The development of junctions able of interconnecting elements over a wide bandwidth has been pretended, including also the new generation of filters presented in this Ph.D. thesis. On the other hand, a novel technique for the design of bandpass filters with immittance inverters has been proposed. This technique is based on the slope parameter. Unlike traditional techniques, this new process takes into account the actual dependence of filter elements with frequency, calculating and updating the slope parameter of each resonator loaded with its adjacent coupling elements in an iterative process. This process reaches convergence after few iterations. Therefore, this procedure (based on electromagnetic simulations and calculations) improves the equivalence between the circuit prototype and the real structure, since it takes into account the frequency dependence of resonators and individual inverters, including also the loading effects between them. In addition, it is important to point out that an appropriate frequency mapping must be chosen for each structure and filter specifications. As a result, better initial dimensions can be obtained, thus reducing the computational cost of the final optimization step, which can even become unnecessary in some cases. This new procedure has been illustrated by the synthesis of two evanescent-mode filters and several radiating filters based on a similar topology. Finally, the study of a new filter family called Modified Hybrid Folded Rectangular Waveguide (MHFRW) has been carried out. Besides operating in the mentioned frequency bands, theses filters are capable of handling high power levels, are easy to design and manufacture (without requiring tuning screws in many cases) and also present low losses. Likewise, this type of filters are able to generate a number of transmission zeros greater than the order of the filter (i.e., provide super-elliptic responses) by means of shortcircuited stubs. To illustrate its operation, two examples have been presented in detail. The first of them, which does not have transmission zeros, has been implemented using the new technique of slope parameter. Accordingly, the suitability of this method for this type of structure is demonstrated. The second is a super-elliptic filter, with 4 transmission zeros (2 before the passband and 2 after it) implemented with 4 stubs in a filter of order 3. To conclude and show the practical capabilities of the proposed family of filters, they have been successfully applied in the development of complex multiplexers for passive intermodulation (PIM) measurement test benches. / Ruiz Garnica, J. (2019). Desarrollo de Nuevos Componentes Pasivos de Microondas en Tecnología Guiada para Bandas Altas de Frecuencia [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133058

Las redes ópticas de paquetes se han convertido en los últimos años en uno de los temas de vanguardia en el campo de las tecnologías de comunicaciones. El procesado de cabeceras es una de las funciones más importantes que se llevan a cabo en nodos intermedios, donde un paquete debe ser encaminado a su destino correspondiente. El uso de tecnología completamente óptica para las funciones de encaminamiento y reconocimiento de cabeceras reduce el retardo de procesado respecto al procesado eléctrico, disminuyendo de ese modo la latencia en el enlace de comunicaciones. Existen diferentes métodos de procesado de datos para implementar el reconocimiento de cabeceras. El objetivo de este trabajo es la propuesta de una nueva arquitectura para el procesado de cabeceras basado en el uso de puertas lógicas completamente ópticas. Estas arquitecturas tienen como elemento clave el interferómetro Mach-Zehnder basado en el amplificador óptico de semiconductor (SOA-MZI), y utilizan el efecto no lineal de modulación cruzada de fase (XPM) en los SOAs para realizar dicha funcionalidad. La estructura SOA-MZI con XPM es una de las alternativas más atractivas debido a las numerosas ventajas que presenta, como por ejemplo los requisitos de baja energía para las señales de entrada, su diseño compacto, una elevada relación de extinción (ER), regeneración de la señal y el bajo nivel de chirp que introducen. Este trabajo se ha centrado en la implementación de la funcionalidad lógica XOR. Mediante esta función se pueden realizar diversas funcionalidades en las redes ópticas. Se proponen dos esquemas para el reconocimiento de cabeceras basados en el uso de la puerta XOR. El primer esquema utiliza puertas en cascada. El segundo esquema presenta una arquitectura muy escalable, y se basa en el uso de un bucle de realimentación implementado a la salida de la puerta. Asimismo, también se presentan algunas aplicaciones del procesado de cabeceras para el encaminamiento de paquetes basadas en el uso d / Martínez Canet, JM. (2006). Photonic logic-gates: boosting all-optical header processing in future packet-switched networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1874

Dada la creciente demanda de servicios multimedia en movilidad, las operadoras de telefonía móvil necesitan aumentar constantemente la capacidad de sus sistemas. En ocasiones la única solución posible para mejorar las prestaciones del sistema es incrementar el número de transmisores, siendo ésta una solución costosa. Además, en UMTS utilizar más emplazamientos macro-celulares no siempre garantiza una mayor capacidad del sistema, por los grandes problemas de interferencia mutua que sufren dos macro-celdas si se encuentran demasiado próximas. La única solución que se puede adoptar en estos casos es hacer uso de redes jerárquicas celulares, añadiendo micro-celdas que utilicen una frecuencia de portadora distinta. Esta Tesis Doctoral aporta una visión complementaria al despliegue de las redes jerárquicas y propone aprovechar dicho despliegue para modificar las redes de acceso radio UMTS con nueva arquitectura de nodos B múltiples o Multinodo B. El sistema a desarrollar utiliza la tecnología de nodos B UMTS a los que se conectan un número de antenas distribuidas en diferentes puntos del área de servicio, conformando el equivalente a un array distribuido espacialmente. La incorporación de técnicas de procesado en array junto con mecanismos de gestión dinámica de recursos y la tecnología de enlaces ópticos proporcionarán a este sistema una estructura de acceso radio óptima en entornos micro-celulares y en interiores, con gran flexibilidad y adaptabilidad. Las ventajas de utilizar esta configuración, que se detallan a lo largo de la Tesis Doctoral, son fundamentalmente la mejora de la capacidad de la red de acceso, minimización del impacto radioeléctrico y óptima gestión de recursos. En primer lugar, en esta Tesis Doctoral se demuestra que la nueva arquitectura radio es capaz de dotar al sistema UMTS de una diversidad espacial adicional, diversidad que mejorará los requerimientos de potencia recibida en los terminales, sobre todo en los escenarios micro-celulares. Respecto / Monserrat Del Río, JF. (2007). Mejora de la Arquitectura de Acceso Radio UMTS mediante Multinodos B [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1937