This thesis presents the conception, design and implementation of new topologies of multimodal microwave resonators and filters, using a combination of uniplanar technologies such as coplanar waveguide (CPW), coplanar strips (CPS) and slotlines. The term "multimodal" refers to uniplanar circuits in which the two fundamental modes of the CPW propagate (the even and the odd mode). By using both modes of the CPW, it is possible to achieve added functions, such as additional transmission zeros to increase the rejection, or to attenuate harmonic frequencies to improve the out-of-band rejection. Moreover, it is demonstrated that by using multimodal circuits, it is possible to reduce the length of of a conventional filter up to 80%. In addition to bandpass filters, new topologies of compact band-stop filters are developed. The proposed band-stop filters make use of slow-wave resonators to decrease the total area of the filters and achieve compact topologies. This work also addresses the development of synthesis techniques for each multimodal filter. The design equations were obtained from generalized multimodal circuits available in the literature, which have been adapted for each particular case and modeled as basic filter components, such as immitance inverters or lumped elements. By using the proposed synthesis equations, it is possible to design filters with a desired response and relative bandwidth. The use of the proposed synthesis enables a fast analysis and design of multimodal filters using circuit simulators. As an added feature, several reconfigurable and tunable filter topologies were demonstrated, using active devices (PIN diodes and varactors) or RF-MEMS. These new topologies demonstrate the flexibility of multimodal circuits. For the RF-MEMS-based tunable filters, different capacitive and ohmic switches were designed, fabricated and measured. As an example of the additional degrees of freedom using of RF-MEMS and multimodal CPW circuits, a reconfigurable filter using RF-MEMS switchable air-bridges as a reconfiguration device has been demonstrated in this work for the first time.

Multilevel converter technology has been receiving increasing attention during the last years due to its important advantages compared to conventional two-level conversion. Multilevel converters reduce the voltage across each semiconductor. These converters also synthesize waveforms with better harmonic spectrum, and in most cases, increasing the efficiency of the power conversion system. However, a larger quantity of semiconductors is needed and the modulation strategy to control them becomes more complex. There are three basic multilevel converter topologies: diode clamped, flying capacitor, and cascaded H-bridge with separate dc sources. Numerous hybrid configurations combining them and other multilevel topologies have also been presented in the literature. A novel multilevel active-clamped (MAC) topology is the subject of study of the present thesis. This topology is derived from the generalized multilevel topology by simply removing all flying capacitors. The topology can also be seen as an extension into an arbitrary number of levels of the three-level active neutral-point-clamped (ANPC) topology. The novel converter is controlled using a proper set of switching states and a switching state transition strategy, which permits to obtain the maximum benefits from the converter. In this thesis, the performance and operating capabilities of the MAC topology are studied through comprehensive efficiency and fault-tolerance analyses. The efficiency analysis comprises a study of power-device conduction and switching losses in the topology, followed by analytical and experimental efficiency comparisons between the MAC converter and conventional two-level converters. In the analysis of the fault-tolerance capacity of the MAC topology both open- and short-circuit faults are considered and the analysis is carried out under single-device and two-simultaneous-device faults. Switching strategies to overcome the limitations caused by faults and topology variations to increment the fault-tolerance ability of the MAC converter are proposed. The thesis also proposes guidelines to guarantee a proper MAC converter design and improve its performance.

A material that is enabling integrated optics is the ferroelectric crystal Lithium Niobate (LiNbO3), which has excellent electro-optical, acousto-optical and nonlinear optical properties. Moreover, it can be doped with laser-active ions and allows for simple fabrication of low-loss optical waveguides. The broad aim of this work is to develop and introduce advanced micro- and nano-fabrication techniques for LiNbO3 and a new class of integrated based telecommunication and sensing devices. The techniques developed include precise micro-domain inversion, etching, bonding and thin film fabrication. From a device point of view, domain inversion is used to improve the electro-optic response of LiNbO3 waveguide modulators in terms of bandwidth and driving voltage. With respect to standard single-domain structures, larger bandwidths and lower driving voltages can be obtained, thus achieving figure of merits for the electro-optic response that are up to 50% larger. As a demonstration, a chirp-free modulator, having ~2V switching voltage and bandwidth of 15 GHz, was fabricated by placing the waveguide arms of a Mach-Zehnder interferometer in opposite do- main oriented regions. The modulator could be driven in a single-drive configuration with inexpensive low-voltage drivers, e.g. a SiGe based RF amplifier, typically used for electro-absorption devices. A further aspect of this work focuses on the development of devices for the precise measurement of strong electric fields, which are typically generated in power stations and transmission lines. Therefore, two new integrated electric field sensors are proposed, each of which exploits the aforementioned micro-fabrication techniques. The first device is based on a proton-exchange waveguide at cut-off, centered on a few microns wide domain-inverted region in a z-cut LiNbO3 substrate. The sensor’s performance is demonstrated by detecting DC fields up to 2.6 MV/m and high-frequency (1.1 GHz) fields ranging from 19 V/m to 23 kV/m. The second proposed device is fabricated by direct bonding a z-cut LiNbO3 substrate on top of a cut-off proton-exchanged waveguide centered on the domain-inverted region. It is possible to detect electric fields as high as 2 MV/m at low frequency with improved sensitivity compared to the previous device. These features make the devices suitable for use in high electric field and harsh conditions without endangering the operator. The conclusions section of the Thesis presents possible future developments which will contribute to increase the impact of the work in the optical telecommunication and sensing industries. After a brief introduction, the second chapter describes the basic properties of the material used in the thesis work: Lithium Niobate (LiNbO3). This includes the properties related to its ferroelectric crystal structure and the subsequent applications. Chapter three presents the micro-fabrication techniques, over 3 inch LiNbO3 wafers, developed at ICFO during this work. The chapter begins with a description of waveguides fabrication by Annealed Proton Exchange (APE). The mid-part of the chapter outlines the fabrication procedure for domain inversion using electric field poling technique and liquid electrodes while the last part describes the bonding technique to permanently join LiNbO3 with different substrates, namely Si, SiO2 and another LiNbO3. Moreover, lapping and polishing techniques for thin plate fabrication are presented. The forth chapter firstly introduces the fundamentals and main characteristics of travelling-wave LiNbO3 Mach-Zehnder modulators. Secondly, a new modulator design is proposed. It is based on domain inverted LiNbO3, with improved performance with respect to existing devices. The modulator characterization and the results obtained from the new design are presented. The chapter five begins with a literature review about DC and low frequency electric field optical sensors. Afterwards, two novel all-optical electric field sensors are presented. Both devices are based on a proton-exchange, domain inversion and bonding techniques. The sensors characterization, including the test set-up and the performance results are discussed. Finally, in chapter six, several conclusions on the thesis work and possible future work directions are presented. / Uno de los materiales que permite el avance de la tecnología de dispositivos ópticos integrados es el niobato de litio (LiNbO3). Se trata de un cristal ferro-eléctrico, con excelentes propiedades electro-ópticas, acusto-ópticas y no lineales. Además, es posible fabricar guías de onda de bajas pérdidas mediante las técnicas de intercambio protónico (PE) y difusión de titanio. El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo y la introducción tanto de las técnicas avanzadas de micro-nano fabricación para el niobato de litio como de nuevos dispositivos ópticos integrados para las comunicaciones ópticas y la detección de campo eléctricos de alto voltaje. La técnicas de fabricación desarrolladas incluyen inversión de dominios mediante la técnica de poling de alto voltaje, grabado, bonding y capas delgadas. Desde el punto de vista de los dispositivos, la inversión de dominios ha sido utilizada para mejorar la respuesta electro-óptica de los moduladores en LiNbO3 en términos de ancho de banda (BW) y voltaje de control (Vπ). En comparación con los moduladores comerciales actuales de un único dominio, con esta técnica es posible obtener mayores anchos de banda y menores voltajes de control resultando en un aumento del 50% del producto BW·Vπ. Para demonstrar la eficacia de la técnica desarrollada, se ha fabricado un modulador Mach-Zehnder chirp-free poniendo los brazos del interferómetro en dos regiones de dominios opuestos. De las mediciones efectuadas se han obtenidos valores de voltaje de control de 2V y ancho de banda de 15 GHz. Estos resultados muestran que los dispositivos desarrollados pueden reducir el coste total de funcionamiento, ya que permiten el uso de controladores económicos de Si-Ge que operan en el rango de los 2V. Otro aspecto de este trabajo se enfoca en el desarrollo de dispositivos para medir, de forma exacta, altos campos eléctricos, que normalmente son generados en las centrales eléctricas y en las líneas de transmisión. Por este motivo, se han desarrollado dos sensores de campo eléctrico mediante las técnicas de micro-fabricación anteriormente mencionadas. El primer dispositivo está basado en una guía fabricada mediante intercambio protónico en LiNbO3 z-cut, diseñada a la frecuencia de corte y centrada en una región de dominio invertido de 10 micras de ancho y 10mm de largo. El rendimiento del dispositivo se ha demostrado detectando campos a baja frecuencia con amplitudes de hasta 2.6MV/m y campos a la frecuencia de 1.1GHz con amplitudes desde 19V/m hasta 23kV/m. El segundo dispositivo se ha fabricado mediante bonding directo de un sustrato de LiNbO3 encima de una guía PE diseñada a la frecuencia de corte y centrada en una región de dominio invertido de 10 micras de ancho y 10mm de largo. El dispositivo se ha caracterizado a baja frecuencia y ha sido posible medir campos eléctricos de hasta 2MV/m con un aumento de sensibilidad comparado con el primer dispositivo fabricado sin la técnica del bonding. Estos resultados muestran que los dispositivos desarrollados pueden ser utilizados para mediciones de campos eléctricos intensos en condiciones peligrosas sin ningún riesgo para el operador. Después de una breve introducción en el Capítulo 1 de esta Tesis, las propiedades del LiNbO3 se discuten en el Capítulo 2, prestando especial atención a sus características ópticas y electro-ópticas. El Capítulo 3 presenta las técnicas de micro fabricación desarrolladas durante este trabajo sobre sustratos de 3 pulgadas. En particular, se presentan las técnicas de fabricación de guías mediante intercambio protónico, de inversión de dominios mediante poling de alto voltaje, de bonding de LiNbO3 con diferentes sustratos (LiNbO3 , SiO2, Si) y la fabricación de capas delgadas. El Capítulo 4 ofrece una introducción sobre los moduladores interferométricos Mach-Zehnder de onda propagada, presentando sus principales características. Además se presenta una nueva estructura de modulador basada sobre inversión de dominios y los resultados obtenidos. El Capítulo 5 empieza con una introducción sobre los sensores de campo eléctrico y después se presentan dos nuevos sensores de campo eléctrico completamente ópticos fabricados en LiNbO3 z-cut. Los dispositivos están basados en las técnicas de intercambio protónico, inversión de dominios y bonding directo. Finalmente, en el Capítulo 6 se presentan las conclusiones y posibles desarrollos futuros que pueden contribuir al aumento del impacto de este trabajo en las industrias de comunicaciones ópticas y de detección.

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In lightning protection techniques a basic aspect is the identification of the impact point possible, which is determined by the evolution of the initial phase of the lightning, known as the stepped leader, the ground geometry and structures on it. In general, the available theoretical models are consistent with ideal situations and do not include situations such as non-vertical trajectories, non-flat terrain or complex structures. This work reviews and compares the most outstanding models in the literature on this subject and proposes a model for the study of the stepped leader based on the Finite Element Method (FEM). With the intention of bringing the process to the real situation of progress of a downward negative leader, who can follow a trajectory 3D, several modeling aspects are contemplated, as: adjusting the charge density in the channel, the length and direction of jump, which can be modified depending on the height that is the leader, and the propagation delays caused by the distance from the observation point. On the other hand, the model allows the implementation of 3D geometries and the incorporation of complex structures and non-flat terrain, providing results in situations when it is not possible to have theoretical approaches. Simulations have been performed with different proposals for charge distribution in the channel, in situations of leader vertical, inclined and 3D trajectory. The model has been evaluated, comparing their results with theoretical ideal cases and reproducing some real situations from field measurements. The application of the model in simulating real cases for downward negative leader provides parameter values that are not available through the recorded measurements and are useful for studying this type of discharge. In this work we have focused on some of them, and we have obtained interesting results as: estimating the speed of the leader according of height (from the measures of ¿E (t)), the definition of new relationships between charge density in the channel, ¿Emax (leader close to ground), the return peak current and the observation point distance, as well as we can verify the conditions of inception for a discharge into a storm cloud. Finally, we use the model to evaluate the striking distance, a basic concept on protection techniques. It is inferred a new equation for its calculus and the results are compared with proposals available in the literature, showing good agreement with the recommendation of IEC 62305-1. The results encourage to continue the study and they open the possibility to extend the method to other stages, not only on the downward leader, but also on other phenomena related to the formation and evolution of storm situations. / En las técnicas de protección contra el rayo un aspecto básico es la identificación del posible punto de impacto, que viene determinado por la evolución de la fase inicial de la descarga atmosférica, conocida como líder escalonado (stepped leader), y por la geometría del terreno y estructuras sobre él. En general, los modelos teóricos disponibles se ajustan a situaciones ideales y no contemplan situaciones como trayectorias no verticales, terreno no plano o estructuras complejas. En este trabajo se revisan y comparan los modelos más destacados en la bibliografía sobre el tema y se propone un modelo para el estudio del stepped leader basado en el Método de los Elementos Finitos (FEM). Con la intención de aproximar el proceso a la situación real de avance de un líder negativo descendente, que puede seguir una trayectoria 3D, en el modelado se contemplan aspectos como: el ajuste de la densidad de carga en el canal, la longitud y dirección del salto, que pueden ser modificadas en función de la altura a la que se encuentre el líder, y los retardos de propagación provocados por la distancia del punto de observación. Por otra parte, el modelo permite la implementación de geometrías en 3D y la incorporación de estructuras complejas y terreno no plano, facilitando obtener resultados en situaciones en las que no es posible disponer de aproximaciones teóricas. Se han realizado simulaciones con diferentes propuestas de distribución de carga en el canal y para situaciones de líder vertical, inclinado y con trayectoria 3D. El modelo ha sido evaluado, contrastando sus resultados con casos teóricos ideales y reproduciendo situaciones reales a partir de diversas medidas de campo. La aplicación del modelo en la simulación de casos reales para líder negativo descendente nos proporciona valores de parámetros que no están disponibles a través de las medidas registradas y que son de utilidad para el estudio de las descargas negativas descendentes. En este trabajo nos hemos centrado en algunos de ellos y se han obtenido resultados de interés como: una estimación de la velocidad de avance del líder en función de la altura (a partir de medidas disponibles de ΔE(t)), la definición de nuevas relaciones entre densidad de carga en el canal, ΔEmax (líder próximo a tierra), la corriente de pico de retorno y la distancia del punto de observación, además de verificar las condiciones de inicio de descargas en una nube de tormenta. Por último, se utiliza el modelo para la evaluación de la distancia de cebado (striking distance), concepto básico en técnicas de protección. Se infiere una nueva ecuación para su cálculo y se comparan los resultados con las propuestas disponibles en la literatura, mostrando una buena concordancia con la recomendación de la norma IEC 62305-1. Los resultados obtenidos animan a continuar con el estudio y abren la posibilidad de ampliar la aplicación del método a otras etapas, no sólo en la descarga descendente, sino también de otros fenómenos relacionados con la formación y evolución de las situaciones de tormenta. / En les tècniques de protecció contra el llamp, un aspecte bàsic és la identificació del possible punt d’impacte, que ve determinat per l’evolució de la fase inicial de la descàrrega atmosfèrica, coneguda com a líder esglaonat (stepped leader), i per la geometria del terreny i les estructures que hi ha a sobre d’ell. En general, els models teòrics dsiponibles s’ajusten a situacions ideals i no contemplen situacions com trajectòries no verticals, terreny no pla o estructures complexes. En aquest treball es revisen i comparen els models més destacats en la bibliografia sobre el tema i es proposa un model per a l’estudi del stepped leader basat en el Mètode dels Elements Finits (FEM). Amb la intenció d’apropar el procés a la situació real d’avançament d’un líder negatiu descendent, el qual pot seguir una trajetòria 3D, en el modelat es contemplemn aspectes com: l’ajustament de la densitat de càrrega al canal, la longitud i la direcció del salt, que poden ser modificades en funció a l’altura on es trobi el líder i als retards de propagació provocats per la distància del punt d’observació. D’una altra banda, el model permet la implementació de geometries en 3D i la incorporació d’estructures complexes i terreny no pla, facilitant així l’obtenció de resultats en situacions on no es possible disposar d’aproximacions teòriques. S’han realitzat simulacions amb diferents propostes de distribució de càrrega al canal i per a situacions de líder vertical, inclinat i amb trajectòria 3D. El model ha estat avaluat, contrastant els seus resultats amb casos teòrics ideals i reproduint situacions reals a partir de diferents mesures de camp. L’aplicació del model en la simulació de casos reals per a líder negatiu descendent ens proporciona valors de paràmetres que no estan disponibles a travès de les mesures registrades i que són d’utilitat per a l’estudi de les descàrregues negatives descendents. En aquest treball ens n’hem centrat en alguns i s’han obtingut resultats d’interès com: una estimació de la velocitat d’avançament del líder en funció d’altura (només a partir de mesures disponibles de ΔE(t)), la definició de les noves relacions entre densitat de càrrega al canal, ΔEmax (líder proper a terra), el corrent del pic de retorn i la distància del punt d’observació, a més de verificar les condicions d’inici de descàrregues en un núvol de tempesta. Per últim, s’utilitza el model per a l’avaluació de la distància de d'encebament (striking distance), concepte bàsic en tècniques de protecció. S’infereix una nova equació per al seu càlcul i es comparen els resultats amb les propostes disponibles en la literatura, mostrant una bona concordància amb la recomanació de la norma IEC 62305-1. Els resultats obtinguts animen a continuar amb l’estudi i obren la posibilitat d’ampliar l’aplicació del mètode a d’altres etapes, no només en la descàrrega descendent, sinó també d’altres fenòmens relacionats amb la formació i evolució de les situacions de tempesta.

This thesis is a result of contributions to optimize or improve resource allocation in Passive Optical Networks (PON). The contributions are related with resource allocation during PON operation and with the upgrade process to allocate more capacity to the network in an "as-needed" fashion. We first address algorithms for Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) in the upstream channel of Ethernet-based PONs through providing a state-of-the-art survey and proposing two algorithms. The proposed DBA results demonstrate improved performance and fairness among users. Then we introduce the problem of allocating new capacity to an existing PON through addition of wavelength (channels) and line-rate upgrades. In this regard, we first analyze possible strategies for PON evolution, and then we provide a new cost-based method to optimize the upgrade process in a per-period basis. The results on PON evolution analysis and our capacity-upgrade method contribute to cost reductions while optimizing new channel allocation, maximizing network capacity usage, and assuring minimum disturbances.Esta tesis es el resultado de contribuciones para optimizar o mejorar la distribución de recursos en Redes Ópticas Pasivas (PONs). Las contribuciones están relacionadas con el uso de los recursos durante la operación de las PONs y con el proceso de incremento en la capacidad en la red de forma gradual. Primero enfocamos el estudio en algoritmos de Distribución Dinámica de Ancho de Banda (DBA, por las siglas en inglés) sobre el canal ascendente de las redes PON basadas en Ethernet, para lo cual proveemos un resumen del estado del arte y proponemos dos nuevos algoritmos. Los resultados de evaluar los DBA propuestos demuestran mejoras en el rendimiento y mayor justicia entre los usuarios. Posteriormente se introduce el problema de asignar más capacidad a una PON existente mediante la implementación de nuevas longitudes de onda (canales) y aumento de la tasa de línea. Finalmente se plantea un método que minimiza las inversiones en el proceso de migración de las redes PON. Los resultados en el análisis de la evolución de las PONs y nuestro método basado en costos para incrementar la capacidad, contribuyen a reducir la inversión a la vez que se optimiza la implementación y asignación de nuevos canales, maximizando el uso de la capacidad de la red, y asegurando mínimos cortes de servicios.

Today, 3.5 and 4G systems including Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) support packet-based services and provide mobile broadband access for bandwidth-hungry applications. In this context of fast evolution, new and challenging technical issues must be e ectively addressed. The nal target is to achieve a signi cant step forward toward the improvement of the Quality of Experience (QoE). To that end, interference management has been recognized by the industry as a key enabler for cellular technologies based on OFDMA. Indeed, with a low frequency reuse factor, intercell interference (ICI) becomes a major concern since the Quality of Service (QoS) is not uniformly delivered across the network, it remarkably depends on user position. Hence, cell edge performance is an important issue in LTE and LTE-A. Intercell Interference Coordination (ICIC) encompasses strategies whose goal is to keep ICI at cell edges as low as possible. This alleviates the aforementioned situation. For this reason, the novelties presented in this Ph.D. thesis include not only developments of static ICIC mechanisms for data and control channels, but also e orts towards further improvements of the energy e ciency perspective. Based on a comprehensive review of the state of the art, a set of research opportunities were identi ed. To be precise, the need for exible performance evaluation methods and optimization frameworks for static ICIC strategies. These mechanisms are grouped in two families: the schemes that de ne constraints on the frequency domain and the ones that propose adjustments on the power levels. Thus, Soft- and Fractional Frequency Reuse (SFR and FFR, respectively) are identi ed as the base of the vast majority of static ICIC proposals. Consequently, during the rst part of this Ph.D. thesis, interesting insights into the operation of SFR and FFR were identi ed beyond well-known facts. These studies allow for the development of a novel statistical framework to evaluate the performance of these schemes in realistic deployments. As a result of the analysis, the poor performance of classic con gurations of SFR and FFR in real-world contexts is shown, and hence, the need for optimization is established. In addition, the importance of the interworking between static ICIC schemes and other network functionalities such as CSI feedback has also been identi ed. Therefore, novel CSI feedback schemes, suitable to operate in conjunction with SFR and FFR, have been developed. These mechanisms exploit the resource allocation pattern of these static ICIC techniques in order to improve the accuracy of the CSI feedback process. The second part is focused on the optimization of SFR and FFR. The use of multiobjective techniques is investigated as a tool to achieve e ective network-speci c optimization. The approach o ers interesting advantages. On the one hand, it allows for simultaneous optimization of several con icting criteria. On the other hand, the multiobjective nature results in outputs composed of several high quality (Pareto e cient) network con gurations, all of them featuring a near-optimal tradeo between the performance criteria. Multiobjective evolutionary algorithms allow employing complex mathematical structures without the need for relaxation, thus capturing accurately the system behavior in terms of ICI. The multiobjective optimization formulation of the problem aims at achieving e ective adjustment of the operational parameters of SFR and FFR both at cell level and network-wide. Moreover, the research was successfully extended to the control channels, both the PDCCH and ePDCCH. Finally, in an e ort to further improve the network energy e ciency (an aspect always considered throughout the thesis), the framework of Cell Switch O (CSO), having close connections with ICIC, is also introduced. By means of the proposed method, signi cant improvements with respect to traditional approaches, baseline con gurations, and previous proposals can be achieved. The gains are obtained in terms of energy consumption, network capacity, and cell edge performance. / Actualmente los sistemas 3.5 y 4G tales como Long Term Evolution (LTE) y LTE-Advanced (LTE-A) soportan servicios basados en paquetes y proporcionan acceso de banda ancha m ovil para aplicaciones que requieren elevadas tasas de transmisi on. En este contexto de r apida evoluci on, aparecen nuevos retos t ecnicos que deben ser resueltos e cientemente. El objetivo ultimo es conseguir un salto cualitativo importante en la experiencia de usuario (QoE). Con tal n, un factor clave que ha sido reconocido en las redes celulares basadas en Orthogonal Frequency- Division Multiple Access (OFDMA) es la gesti on de interferencias. De hecho, la utilizaci on de un factor de reuso bajo permite una elevada e ciencia espectral pero a costa de una distribuci on de la calidad de servicio (QoS) que no es uniforme en la red, depende de la posici on del usuario. Por lo tanto, el rendimiento en los l mites de la celda se ve muy penalizado y es un problema importante a resolver en LTE y LTE-A. La coordinaci on de interferencias entre celdas (ICIC, del ingl es Intercell Interfe- rence Coordination) engloba las estrategias cuyo objetivo es mantener la interferencia intercelular (ICI) lo m as baja posible en los bordes de celda. Esto permite aliviar la situaci on antes mencionada. La contribuci on presentada en esta tesis doctoral incluye el dise~no de nuevos mecanismos de ICIC est atica para los canales de datos y control, as como tambi en mejoras desde el punto de vista de e ciencia energ etica. A partir de una revisi on completa del estado del arte, se identi caron una serie de retos abiertos que requer an esfuerzos de investigaci on. En concreto, la necesidad de m etodos de evaluaci on exibles y marcos de optimizaci on de las estrategias de ICIC est aticas. Estos mecanismos se agrupan en dos familias: los esquemas que de nen restricciones sobre el dominio de la frecuencia y los que proponen ajustes en los niveles de potencia. Es decir, la base de la gran mayor a de propuestas ICIC est aticas son la reutilizaci on de frecuencias de tipo soft y fraccional (SFR y FFR, respectivamente). De este modo, durante la primera parte de esta tesis doctoral, se han estudiado los aspectos m as importantes del funcionamiento de SFR y FFR, haciendo especial enfasis en las conclusiones que van m as all a de las bien conocidas. Ello ha permitido introducir un nuevo marco estad stico para evaluar el funcionamiento de estos sistemas en condiciones de despliegue reales. Como resultado de estos an alisis, se muestra el pobre desempe~no de SFR y FFR en despliegues reales cuando funcionan con sus con guraciones cl asicas y se establece la necesidad de optimizaci on. Tambi en se pone de mani esto la importancia del funcionamiento conjunto entre esquemas ICIC est aticos y otras funcionalidades de la red radio, tales como la informaci on que env an los usuarios sobre el estado de su canal downlink (feedback del CSI, del ingl es Channel State Information). De este modo, se han propuesto diferentes esquemas de feedback apropiados para trabajar conjuntamente con SFR y FFR. Estos mecanismos explotan el patr on de asignaci on de recursos que se utiliza en ICIC est atico para mejorar la precisi on del proceso. La segunda parte se centra en la optimizaci on de SFR y FFR. Se ha investigado el uso de t ecnicas multiobjetivo como herramienta para lograr una optimizaci on e caz, que es espec ca para cada red. El enfoque ofrece ventajas interesantes, por un lado, se permite la optimizaci on simult anea de varios criterios contradictorios. Por otro lado, la naturaleza multiobjetivo implica obtener como resultado con guraciones de red de elevada calidad (Pareto e cientes), todas ellas con un equilibrio casi- optimo entre las diferentes m etricas de rendimiento. Los algoritmos evolucionarios multiobjetivo permiten la utilizaci on de estructuras matem aticas complejas sin necesidad de relajar el problema, de este modo capturan adecuadamente su comportamiento en t erminos de ICI. La formulaci on multiobjetivo consigue un ajuste efectivo de los par ametros operacionales de SFR y FFR, tanto a nivel de celda como a nivel de red. Adem as, la investigaci on se extiende con resultados satisfactorios a los canales de control, PDCCH y ePDCCH. Finalmente, en un esfuerzo por mejorar la e ciencia energ etica de la red (un aspecto siempre considerado a lo largo de la tesis), se introduce en el an alisis global el apagado inteligente de celdas, estrategia con estrechos v nculos con ICIC. A trav es del m etodo propuesto, se obtienen mejoras signi cativas con respecto a los enfoques tradicionales y propuestas previas. Las ganancias se obtienen en t erminos de consumo energ etico, capacidad de la red, y rendimiento en el l mite de las celdas. / Actualment els sistemes 3.5 i 4G tals com Long Term Evolution (LTE) i LTE- Advanced (LTE-A) suporten serveis basats en paquets i proporcionen acc es de banda ampla m obil per a aplicacions que requereixen elevades taxes de transmissi o. En aquest context de r apida evoluci o, apareixen nous reptes t ecnics que han de ser resolts e cientment. L'objectiu ultim es aconseguir un salt qualitatiu important en l'experi encia d'usuari (QoE). Amb tal , un factor clau que ha estat reconegut a les xarxes cel lulars basades en Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) es la gesti o d'interfer encies. De fet, la utilizaci o d'un factor de re us baix permet una elevada e ci encia espectral per o a costa d'una distribuci o de la qualitat de servei (QoS) que no es uniforme a la xarxa, dep en de la posici o de l'usuari. Per tant, el rendiment en els l mits de la cel la es veu molt penalitzat i es un problema important a resoldre en LTE i LTE-A. La coordinaci o d'interfer encies entre cel les (ICIC, de l'angl es Intercell Interfe- rence Coordination) engloba les estrat egies que tenen com a objectiu mantenir la interfer encia intercel lular (ICI) el m es baixa possible en les vores de la cel la. Aix o permet alleujar la situaci o abans esmentada. La contribuci o presentada en aquesta tesi doctoral inclou el disseny de nous mecanismes de ICIC est atica per als canals de dades i control, aix com tamb e millores des del punt de vista d'e ci encia energ etica. A partir d'una revisi o completa de l'estat de l'art, es van identi car una s erie de reptes oberts que requerien esfor cos de recerca. En concret, la necessitat de m etodes d'avaluaci o exibles i marcs d'optimitzaci o de les estrat egies de ICIC est atiques. Aquests mecanismes s'agrupen en dues fam lies: els esquemes que de neixen restriccions sobre el domini de la freq u encia i els que proposen ajustos en els nivells de pot encia. Es a dir, la base de la gran majoria de propostes ICIC est atiques s on la reutilitzaci o de freq u encies de tipus soft i fraccional (SFR i FFR, respectivament). D'aquesta manera, durant la primera part d'aquesta tesi doctoral, s'han estudiat els aspectes m es importants del funcionament de SFR i FFR, fent especial emfasi en les conclusions que van m es enll a de les ben conegudes. Aix o ha perm es introduir un nou marc estad stic per avaluar el funcionament d'aquests sistemes en condicions de desplegament reals. Com a resultat d'aquestes an alisis, es mostra el pobre acompliment de SFR i FFR en desplegaments reals quan funcionen amb les seves con guracions cl assiques i s'estableix la necessitat d'optimitzaci o. Tamb e es posa de manifest la import ancia del funcionament conjunt entre esquemes ICIC est atics i altres funcionalitats de la xarxa radio, tals com la informaci o que envien els usuaris sobre l'estat del seu canal downlink (feedback del CSI, de l'angl es Channel State Information). D'aquesta manera, s'han proposat diferents esquemes de feedback apropiats per treballar conjuntament amb SFR i FFR. Aquests mecanismes exploten el patr o d'assignaci o de recursos que s'utilitza en ICIC est atic per millorar la precisi o del proc es. La segona part se centra en l'optimitzaci o de SFR i FFR. S'ha investigat l' us de t ecniques multiobjectiu com a eina per aconseguir una optimitzaci o e ca c, que es espec ca per a cada xarxa. L'enfocament ofereix avantatges interessants, d'una banda, es permet l'optimitzaci o simult ania de diversos criteris contradictoris. D'altra banda, la naturalesa multiobjectiu implica obtenir com resultat con guracions de xarxa d'elevada qualitat (Pareto e cients), totes elles amb un equilibri gaireb e optim entre les diferents m etriques de rendiment. Els algorismes evolucionaris multiobjectiu permeten la utilitzaci o d'estructures matem atiques complexes sense necessitat de relaxar el problema, d'aquesta manera capturen adequadament el seu comportament en termes de ICI. La formulaci o multiobjectiu aconsegueix un ajust efectiu dels par ametres operacionals de SFR i FFR, tant a nivell de cel la com a nivell de xarxa. A m es, la recerca s'est en amb resultats satisfactoris als canals de control, PDCCH i ePDCCH. Finalment, en un esfor c per millorar l'e ci encia energ etica de la xarxa (un aspecte sempre considerat al llarg de la tesi), s'introdueix en l'an alisi global l'apagat intel ligent de cel les, estrat egia amb estrets vincles amb ICIC. Mitjan cant el m etode proposat, s'obtenen millores signi catives pel que fa als enfocaments tradicionals i propostes pr evies. Els guanys s'obtenen en termes de consum energ etic, capacitat de la xarxa, i rendiment en el l mit de les cel les.

In the future communication systems, it is of key importance that the transceivers are capable of operating in multiple frequency bands and with complex signals. In this context, the power amplifier is a critical component of the transceiver, since it is responsible for most of the total power consumption in base stations and portable devices. Apart from the power consumption, the design of power amplifier systems must account for multi-band/broadband capabilities, high peak-toaverage power ratio signals and the mismatch effect caused by the various operating conditions. Hence, the design of power amplifier topologies that enhance the total system efficiency and reliability is a challenging task. This PhD dissertation introduces novel power amplifier architectures and solutions for modern communication systems. The contributions of this thesis can be divided in two parts. The first part deals with the study and design of power amplifier systems. It is of major importance that these designs provide linear amplification and operation at multiple frequency bands, which will permit the reduction of the cost and size of the devices. Additionally, we investigate the possibility to harvest the dissipated power from the power amplification process. For the development of the prototypes, lumped-element topologies, transmission line implementation and Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology are adopted. In the second part of the thesis, novel matching networks are introduced and their properties are studied. In particular, resistance compression topologies are proposed to overcome the performance degradation associated with the sensitivity of nonlinear devices to environmental changes. These networks can be adopted in modern power amplifier architectures, such as envelope tracking and outphasing energy recovery power amplifier topologies, in order to provide improved performance over a wide range of operating conditions. / Es primordial que los transceptores de los futuros sistemas de comunicación sean capaces de operar en múltiples bandas de frecuencia y con señales complejas. En este contexto, el amplificador de potencia es un componente crítico del transceptor dado que su consumo energético supone la mayor parte del consumo tanto de las estaciones base como de los dispositivos móviles. Aparte del consumo energético, los nuevos diseños de sistemas de amplificación de potencia deben considerar aspectos como la capacidad de operar en múltiples bandas o en banda ancha, el uso de señales con alta relación de potencia pico a potencia media (PAPR) y el efecto de desadaptación que aparece bajo las diferentes condiciones de funcionamiento. Por lo tanto, el diseño de nuevas topologías para amplificadores de potencia que mejoren la eficiencia total del sistema y la fiabilidad es una tarea compleja. Esta tesis doctoral presenta nuevas arquitecturas de amplificadores de potencia y soluciones para los sistemas de comunicación modernos. Las contribuciones de esta tesis se pueden dividir en dos partes. La primera parte se centra en el estudio y diseño de sistemas de amplificación de potencia con el fin de proporcionar amplificación lineal y funcionamiento en múltiples bandas de frecuencia, lo que permitirá reducir el coste y tamaño de los dispositivos. Además, se investiga la posibilidad de reutilizar la energía disipada en el proceso de amplificación de potencia. Para el desarrollo de los prototipos, se utilizan topologías hibridas, implementaciones con líneas de transmisión y tecnología de guía de onda integrada en sustrato (SIW). En la segunda parte de la tesis, se proponen redes de adaptación y se estudian sus propiedades. En particular, se proponen topologías de compresión de resistencia para minimizar el efecto que producen en el rendimiento la sensibilidad de los dispositivos no lineales a los cambios ambientales. Estas redes pueden ser utilizadas en arquitecturas modernas de amplificadores de potencia como pueden ser las topologías envelope tracking y outphasing energy recovery con el fin de proporcionar un rendimiento mejorado bajo múltiples condiciones de funcionamiento.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPC / This doctoral thesis is presented as a compendium of six (6) articles published in Science Citation Index journals. The work proposes harmonic models of some of the most common energy efficient lighting devices in electrical installations (i.e., high intensity discharge lamps (HIDLs) with magnetic ballast, compact fluorescent lamps (CFLs) with integrated ballast, and solid state lighting light emitting diodes (SSL-LEDs) luminaries). The aim of these models and the developed numerical tools is to characterize their harmonic emissions for use in harmonic power flow (HPF) studies in networks with high penetration of these loads. The work contributes mainly with the frequency domain equivalent circuit models and makes significant contributions in the model parameter estimation and suggestions on variations and simplifications of the models. / La presente Tesis Doctoral se defiende bajo la modalidad de un compendio de seis (6) artículos publicados en revistas indexadas en el Science Citation Index. En ella se desarrolla la modelización armónica de algunos de los dispositivos de iluminación de eficiencia energética más habituales en las instalaciones eléctricas (i.e. las lámparas de descarga de alta intensidad con balasto magnético HIDLs, las lámparas fluorescentes compactas con balasto integrado CFLs y las lámparas de estado sólido de diodos inorgánicos emisores de luz SSL-LEDs). El objetivo de estos modelos y de las herramientas numéricas desarrolladas, es caracterizar sus emisiones armónicas y poder utilizarlos en programas de flujos de potencia con armónicos (HPF) en redes eléctricas con gran penetración de este tipo de cargas. El trabajo desarrollado contribuye principalmente con modelos de dichas lámparas basados en su circuito equivalente en el dominio de la frecuencia y realiza aportaciones significativas en la estimación de sus parámetros, además de propuestas de variantes y simplificaciones de los modelos.

Current transport network owners are focused on offering services on top of the infrastructures they own, while end users have no control over them. Traditionally, this has been their business model, as the cost of building the infrastructures to provide services is considerably high. However, the traffic on Internet has been, and still is, rapidly increasing over the years. Additionally new emerging services are pushing the limits of existing telecommunication infrastructures, particularly transport optical networks. To overcome such situation, network virtualization has been considered as an effective solution for the future optical networks architectures. Thanks to Virtual Optical Networks (VONs), it is possible to create mission-specific logic infrastructures, which fulfil the exact requirements of the applications that will run on top of them, sharing a unique physical substrate. However, the applicability of virtualization techniques to the optical domain is still under research, being on key point the mapping of the virtual resources to the actual physical ones. However, virtualization per se does not provide a solution flexible enough in terms of bandwidth utilization. For this to happen, an equally flexible transport technology must be adopted. Elastic Optical Networks (EONs) have been presented as an efficient solution for flexible bandwidth allocation. Additionally, due to the dinamicity of the traffic patterns that such virtual networks will face, it is highly desirable to provide a physical substrate that will help on keeping the associated operational expenditures (OPEX) at low levels, being a very important parameter the energy consumption. The energy consumption topic has been subject of big research efforts in order to provide more energy efficient optical transport networks, which, at their turn, will help on the creation of less costly virtual infrastructures. This thesis is devoted to the study of resource allocation to VONs, aiming to provide a flexible, efficient and optimized environment for the embedding of the VONs to the actual physical substrate. The considered scenario is composed of an underlying optical transport network and multiple client VONs that have to be allocated on top. In such scenario, a key aspect relates to how actual resources are associated to the virtual ones, guaranteeing the isolation among VONs and satisfying the resources requirements of every one of them. After an introduction to the thesis, chapter 2 surveys nowadays optical network infrastructures, concluding on the need to move towards a more dynamic and efficient optical network infrastructure. Next, it proceeds to summarize the state of the art of the concepts that enable for such network architecture, namely, VONs, EONs and energy efficient optical infrastructures. Then, chapters 3, 4 and 5 focus on providing solutions to optimize specific aspects of these enabling concepts. More in details, chapter 3 studies the main challenges on the VON embedding problem and presents solutions that allow for an optimized resoure assignment to VONs in a physical substrate depending on the VONs characteristics and the sppecific network substrate. Chapter 4 proposes the Split Spectrum (SS) approach as a way to improve the spectrum utilization of EONs. Finally, chapter 5 focuses on provide and evaluate routing and architectural solutions in aims to reduce the energy consumption of the optical substrate so as VONs with lower OPEX can be deployed on top of it. / Els actuals propietaris de xarxes de transport es centren en oferir serveis mitjançant les infraestructures que posseeixen, mentre els usuaris finals no tenen cap control sobre aquests. Tradicionalment, aquest ha estat el seu model de negoci, ja que el cost de construir aquestes infraestructures és considerablement elevat. Tanmateix, el tràfic a Internet ha estat creixent de manera ràpida durant els últims anys. A més, l'aparició de nous serveis està portant al límit les actuals infraestructures de telecomunicacions, especialment les xarxes òptiques de transport. Per tal de superar aquesta situació, la virtualització de xarxes és considerada com una solució efectiva per les futures arquitectures de xarxes òptiques. Gràcies a les Xarxes Òptiques Virtuals (VONs), és possible crear infraestructures lògiques específiques en la seva missió, les quals permeten satisfer els requisits de les aplicacions que s'executaran a través d'elles, compartint un únic substrat físic. Tanmateix, l'aplicació de les tècniques de virtualització en el domini òptic encara és subjecte d'investigació, sent el mapeig entre els recursos virtuals i els recursos físics un punt clau que cal adreçar. No obstant això, la virtualització en si mateixa no proporciona una solució prou flexible en termes d'utilització de l'espectre. Per aquest motiu és necessari que el substrat físic adopti una tecnologia igualment flexible. Les Xarxes Òptiques Elàstiques (EONs) es presenten com una solució eficient per a una assignació flexible de l'espectre. A més, a causa del dinamisme dels perfils de trafic als quals s'enfrontaran les VONs, és desitjable proporcionar una infraestructura física que ajudi a mantenir baixes les despeses operatives (OPEX) d'aquestes xarxes, sent un paràmetre molt important el consum energètic. El tema del consum energètic ha estat subjecte de grans iniciatives de recerca per tal de proporcionar xarxes de transport òptiques més eficients energèticament, les quals permetran crear VONs menys costoses. Aquesta tesi està dedicada a l'estudi l'assignació de recursos a les VONs, amb l'objectiu de proporcionar un entorn flexible, eficient i optimitzat per a la incrustació de les VONs al substrat físic. L'escenari considerat es compon d'una xarxa de transport subjacent i múltiples VONs client a col·locar sobre el substrat físic. En aquest escenari, un aspecte clau es refereix a com els recursos reals s'associen als virtuals, garantint l'aïllament entre VONs i satisfent els recursos demanats per cada una d'elles. Després d'una introducció a la tesi, el capítol 2 revisa les infraestructures de xarxa òptica actuals, concloent en la necessitat d'avançar cap a infraestructures més dinàmiques i eficients. Tot seguit, es procedeix a resumir l'estat de l'art dels conceptes que habilitaran aquesta arquitectura de xarxa, bàsicament, VONs, EONs i les xarxes òptiques de baix consum. A continuació, els capítols 3, 4 i 5 es centren en proporcionar solucions per optimitzar aspectes específics d'aquests conceptes. Més en detall, el capítol 3 estudia els principals reptes en el problema de la incrustació de VONs i presenta solucions que permetin assignar recursos de manera optimitzada a les VONs en un substrat físic. El capítol 4 proposa el concepte de l'Split Spectrum (SS) com una forma de millorar la utilització de l'espectre en les EONs. Finalment, el capítol 5 es centra en proporcionar i avaluar solucions arquitectòniques i d'enrutament amb l'objectiu de reduir el consum d'energia del substrat òptic de tal manera que VONs amb menor OPEX puguin ser desplegades a través d'ell. / Los actuales propietarios de las redes de transporte se centran en ofrecer servicios mediante las infraestructuras que poseen y gestionan, mientras que los usuarios finales no tienen ningún control sobre estos. Tradicionalmente, este ha sido el modelo de negocio adoptado por los operadores de redes, ya que el coste de construir y mantener las infraestructuras correspondientes por tal de ofrecer servicios mediante ellas era, y aun es, considerablemente elevado. No obstante, el tráfico en Internet ha crecido de manera rápida y sostenida durante los últimos años y se prevé que continuara con este crecimiento en el futuro. Además, la aparición de nuevos servicios y paradigmas, están llevando al límite las actuales infraestructuras de telecomunicaciones, especialmente las redes de trasporte óptico. Por tal de superar dicha situación, la virtualización de redes ha sido considerada como una solución efectiva para las futuras arquitecturas de redes ópticas. Gracias a las Redes Ópticas Virtuales (VONs), es posible crear infraestructuras lógicas especificas en su misión, las cuales podrán satisfacer los requisitos de las aplicaciones que se ejecutaran a través de ellas, usando y compartiendo un único sustrato físico. No obstante, la aplicación de las técnicas de virtualización en el dominio óptico aun es sujeto de investigación, siendo el mapeo entre los recursos virtuales y los físicos (también conocido como incrustación de la red virtual) un punto clave a solucionar. No obstante, la virtualización por si misma no ofrece una solución suficientemente flexible en términos de utilización del ancho de banda. Por tal de proporcionar un entorno de virtualización suficientemente flexible para acomodar cualquier ancho de banda con suficiente granularidad, es necesario que el sustrato físico adopte una tecnología de transporte igual de flexible. Las Redes Ópticas Elásticas (EONs) se presentan como una solución eficiente para una asignación flexible del ancho de banda en redes ópticas. Además, debido a la heterogeneidad y dinamismo de los perfiles de tráfico a los cuales se enfrentaran las redes virtuales, es altamente deseable proporcionar una infraestructura física que ayuda a mantener bajos los gastos operativos (OPEX) de estas redes, siendo un parámetro muy importante el consumo energético asociado a la operación de las VONs. El tema del consumo energético ha sido, y aun es, sujeto de grandes iniciativas de investigación centradas en desarrollar nuevas arquitecturas de dispositivos o algoritmos de asignación de recursos conscientes del consumo energético por tal de proporcionar redes de transporte ópticas más eficientes energéticamente que, a su vez, permitan crear infraestructuras virtuales menos costosas des del punto de vista energético. Esta tesis se centra en el estudio de la composición y asignación de recursos a las VONs, con el objetivo de proporcionar un entorno flexible, eficiente y optimizado para la incrustación de las VONs en el sustrato físico real. El escenario considerado se compone de una red de transporte subyacente, ya sea una Red Óptica de Conmutación de Longitud de Onda (WSON) o EON, y múltiples VONs cliente, las cuales se colocaran encima del sustrato físico. En este escenario, un aspecto clave se refiere a como los recursos reales se asocian a los virtuales, garantizando el aislamiento entre VONs y satisfaciendo los recursos pedidos (por ejemplo, capacidad de enlace) por cada una de ellas. Después de una introducción a la tesis, el capítulo 2 revisa las infraestructuras de redes ópticas actuales, concluyendo en la necesidad de avanzar hacia una infraestructura de red óptica más dinámica y eficiente por tal de afrontar el crecimiento del tráfico en Internet y la aparición de nuevos servicios y paradigmas. Seguidamente, se procede a resumir el estado del arte de los conceptos y paradigmas que permitirán habilitar esta arquitectura de red, básicamente, VONs, EONs y las infraestructuras ópticas de bajo consumo energético. A continuación, los capítulos 3, 4 y 5 se centran en proporcionar soluciones para optimizar aspectos específicos de estos conceptos con la finalidad de proporcionar un marco optimizado que ayudara en la configuración de las futuras infraestructuras de redes ópticas y sus modelos de negocio. Concretamente, el capítulo 3 estudia los principales retos en el problema de la incrustación de VONs y presenta soluciones que permiten una asignación de recursos optimizada a las VONs en un sustrato físico dependiendo de las características de las VONs y del sustrato de red. El capítulo 4 propone el concepto de Split Spectrum (SS) como una forma de mejorar la utilizaci_on del espectro en las EONs. Finalmente, el capítulo 5 se centra en proporcionar y evaluar soluciones arquitectónicas y de enrutamiento con el objetivo de reducir el consumo energético del sustrato óptico de tal manera que VONs con menor OPEX puedan ser desplegadas mediante este sustrato.