This work presents a new theoretical framework and prediction tool for multipactor in multi-carrier systems. This is of capital importance for satellite communication applications, which demand for higher number of channels operating at high power levels. Such a tool may help to reduce, or completely avoid, the risk of having an RF breakdown in operation, with the subsequent loss of signal quality or even completely damage of the device. Currently not much is known about multipactor for multi-carrier signals. This Thesis throws light on some basic multipactor mechanisms such as the electronic discharge build-up or its connection with signal distortion. A new non-stationary multi-carrier theory, based on current statistical multipactor studies, is presented. Unlike existing ones, this theory is able, for the first time, to model both electron creation and absorption processes. It constitutes the first multipactor theory for multi-carrier signals which is able to fully characterize the electron dynamics, such as the time evolution of the electronic density, as well as creation and absorption rates. A prediction method, the quasi-stationary method, is proposed for the automatic searching of the combination of carrier phases which yields the lowest breakdown level. It is based on the non-stationary theory for singlecarrier signals together with a genetic global optimizer. The quasi-stationary prediction method returns the worst-case phase combination plus a breakdown level for arbitrary multi-carrier signals with any number of carriers. The quasi-statinary method has been assessed with experimental tests on ad-hoc Ku-band rectangular waveguide samples with different multi-carrier signals. Additionally, the results have been contrasted with the popular 20-gap-crossing rule. The quasi-stationary method yields much better prediction accuracy than the 20-gap-crossing rule. Prediction errors for both techniques have been found to be 1 dB and 4 dB, respectively. The non-stationary theory is formulated for one-dimensional parallelplate case, but in principle can be adapted to other geometries and signals, which opens a future research line for extending it to more complex applications. / Anza Hormigo, S. (2014). Multipactor in Multicarrier Systems. Theory and Prediction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/38761

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes. / Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas. / In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission.

[pt] crescimento dos sistemas de comunicações móveis celulares e dos sistemas de rádio difusão de sinais de áudio e vídeo tem despertado grande interesse na pesquisa de novos métodos para a transmissão de sinais nestas redes. A necessidade de se transmitir dados em altas taxas, com significante eficiência no uso da largura de faixa de freqüências disponível, e por meio de um canal de propagação ruidoso e variante no tempo, constitui o principal problema para o desenvolvimento de novas técnicas de trasmissão de sinais. Dentro deste contexto, esta dissertação trata do uso dos conceitos de transmissão digital e filtragem adaptativa para a demodulação de sinais OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). A equalização de sinais antes e após o estágio de DFT (Discrete Fourier Transform) no receptor e as técnicas de estimação de canal são o objeto principal de estudo deste trabalho. Os resultados dos experimentos são analisados em termos da taxa de erro de bit média obtida e da convergência dos algoritmos empregados nas etapas de equalização e estimação de canal no receptor. / [en] The growth of cellular mobile communication systems and audio and video broadcasting systems has stimulated great interest in the research of new methods for the signal transmission in these networks. The high rate data transmission, with significant efficiency in the use of the available bandwidth, in a noisy and time variant channel, constitutes the main problem for the development of new techniques for signal transmission. In this context, this dissertation deals with the use of the concepts of digital transmission and adaptive filtering for the demodulation of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) signals. The equalization pre and post DFT (Discrete Fourier Transform) in the receiver and the channel estimation techniques are the main object of study in this work. The results of the experiments are analyzed in terms of the mean bit error rate achieved and the convergence for the algorithms used in the stages of equalization and channel estimation in the receiver.

Submitted by Carolina Neves (carolinapon@uefs.br) on 2016-08-09T01:01:22Z No. of bitstreams: 1 Karine_Souza_de_Almeida_Dissertacao_Final.pdf: 13569698 bytes, checksum: 81752dfa3be4ee9493654f5c61524c5a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-09T01:01:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Karine_Souza_de_Almeida_Dissertacao_Final.pdf: 13569698 bytes, checksum: 81752dfa3be4ee9493654f5c61524c5a (MD5) Previous issue date: 2016-05-24 / Funda??o de Amparo ? Pesquisa do Estado da Bahia - FAPEB / By using the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), it is possible to transmit by a channel a more robust signal and less susceptible to interferences. When such technique, based on orthogonal subcarriers, is combined with the use of propagation models, which are relevant tools for simulating the signal behavior in respect to environmental parameters and antenna configurations, it is feasible to have an evaluation about the performance of these systems, improving their project phase. Therefore, this work presents the use of OFDM technique applied to two propagation models: a two-ray geometric model and a microcellular model adapted to the Paulista Avenue, S?o Paulo, SP, having as objective the analysis of a mobile communication system through Bit Error Rate (BER). In the developed application using the MAtrix LABoratory (MATLAB) software, the mobile communication system based on OFDM admits several scenarios during the simulation, so that scenarios are related to positioning of the antennas, heights, type of modulation, size of the bit sequence to be sent, and others. The adopted OFDM architecture has been the IFFT/FFT and based on it, the system performs the transmission and reception of a bit set through a channel with interference by using different digital modulations, making appropriate comparisons. / Atrav?s da utiliza??o da t?cnica de Multiplexa??o por Divis?o de Frequ?ncias Ortogonais (OFDM, do ingl?s, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), ? poss?vel transmitir por um canal um sinal mais robusto e menos propenso a interfer?ncias. Quando tal t?cnica, baseada na utiliza??o de subportadoras ortogonais, ? aliada ao uso de modelos de propaga??o, que s?o ferramentas relevantes para a simula??o do comportamento do sinal em rela??o aos par?metros do ambiente e as configura??es das antenas, ? poss?vel ter uma avalia??o a respeito do desempenho desses sistemas, melhorando a fase de projeto dos mesmos. Sendo assim, este trabalho apresenta o uso da t?cnica OFDM aplicada a dois modelos de propaga??o: um modelo geom?trico de dois raios e um modelo microcelular adaptado para a Avenida Paulista, S?o Paulo, SP, possuindo como objetivo a an?lise de um sistema de comunica??o m?vel atrav?s do c?lculo da Taxa de Erro de Bit (BER, do ingl?s, Bit Error Rate). Na aplica??o desenvolvida utilizando o software MATLAB (MATrix LABoratory), o sistema de comunica??o m?vel baseado em OFDM assume diversos cen?rios durante as simula??es, de forma que esses cen?rios s?o relacionados ao posicionamento das antenas, alturas, tipo de modula??o, tamanho da sequ?ncia de bits a ser enviada, entre outras. A arquitetura OFDM adotada foi a IFFT/FFT e baseado nela, o sistema realiza a transmiss?o e a recep??o de um conjunto de bits por um canal com interfer?ncias utilizando diferentes modula??es digitais, fazendo as devidas compara??es.

Esta tesis aborda el problema del diseño de sistemas multiantena, donde el caso más general corresponde a un canal multi-input-multi-output (MIMO) con un transmisor y un receptor con más de una antena. La ventaja de estos sistemas es que ofrecen un rendimiento mucho mejor que los de una única antena, tanto en términos de calidad en la transmisión como en capacidad entendida como número de usuarios a los que se les puede prestar servicio simultáneamente.El objetivo es diseñar conjuntamente el transmisor y el receptor, lo que depende directamente de la calidad y la cantidad de información del canal de la que se dispone. En esta tesis se analiza el impacto de dicha información en el diseño.Primero se ha estudiado un sistema MIMO de un único usuario usando la modulación orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) y asumiendo un conocimiento perfecto del canal en ambos extremos. La arquitectura propuesta se basa en conformación conjunta por portadora, calculándose los conformadores óptimos y proponiéndose diversas estrategias de distribución de potencia entre las portadoras con una baja complejidad. Se han analizado también las relaciones asintóticas de estas distribuciones de potencia con otras soluciones clásicas con mayor coste.El diseño anterior se ha extendido a sistemas MIMO multiusuario, donde todos los terminales en el escenario tienen más de una antena y la información del canal es perfecta. El objetivo es la minimización de la potencia total transmitida sujeto a restricciones de tasa de error máxima para cada enlace. El problema matemático obtenido es no convexo, por lo que estrategias clásicas basadas en algoritmos de gradiente o de optimización sucesiva pueden llevar a soluciones subóptimas. Como posible alternativa se ha propuesto la aplicación de simulated annealing, una potente herramienta heurística y estocástica que permite hallar el diseño global óptimo incluso cuando el problema es no convexo.Los errores en la información de canal disponible pueden empeorar el rendimiento del sistema si éstos no se tienen en cuenta explícitamente durante el diseño. La degradación del sistema MIMO-OFDM de un único usuario se ha estudiado en esta situación, obteniendo una expresión analítica de una cota superior de la máxima degradación relativa de la relación señal a ruido más interferencia.El rendimiento se puede mejorar usando técnicas robustas que tengan en cuenta la presencia de dichos errores. Existen dos aproximaciones clásicas: las Bayesianas y las maximin. En las soluciones Bayesianas el problema se formula estadísticamente, donde el objetivo es optimizar el valor medio de una función de rendimiento promediada sobre la estadística del canal real condicionado a su estimación. Por otro lado, los diseños maximin se caracterizan por optimizar el peor rendimiento para cualquier posible error en la información del canal dentro de una cierta región de incertidumbre que modela el conocimiento imperfecto del mismo.Se han mostrado dos ejemplos de diseños Bayesianos. Primero, una distribución de potencia en un sistema OFDM de una única antena que minimiza el valor medio de una cota superior de la tasa de error, y después un diseño de un transmisor multiantena con un banco de filtros que maximiza la relación señal a ruido media (SNR) o minimiza el error cuadrático medio.Finalmente, se ha obtenido el diseño robusto maximin de un sistema MIMO de un único usuario donde en el transmisor se combinan un código bloque ortogonal espacio-tiempo, una distribución de potencia y un banco de conformadores correspondientes a los modos espaciales del canal estimado. La distribución de potencia se ha diseñado acorde a una región de incertidumbre para el error en la estimación de canal de manera que se maximiza la peor SNR en dicha región. Posteriormente, este diseño se ha extendido al caso de modulaciones adaptativas y multiportadora, mostrando que el rendimiento es mejor que para los códigos bloque otrogonales y la conformación no robusta. / This Ph.D. dissertation addresses the design of multi-antenna systems, where the most general case corresponds to a transmitter and a receiver with more than one antenna, i.e., a multiple-input-multiple-output (MIMO) channel. The main advantage is that they can provide a much better performance than single-antenna systems, both in terms of transmission quality and system capacity, i.e., number of users that can be served simultaneously.The objective is to carry out a joint transmitter-receiver design, which depends directly on the quantity and the quality of the available channel state information (CSI). In this dissertation, the impact of the CSI on the design has been analyzed.First, a single-user MIMO communication system has been designed assuming the use of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation and according to a perfect CSI at both sides. The proposed architecture is based on a joint beamforming approach per carrier. The optimum beamvectors have been calculated and several power allocation strategies among the subcarriers have been derived. These power allocation solutions have been shown to be asymptotically related to other classical designs but with a much lower computational load.The previous design has been extended to multi-user communications, where the multi-antenna terminals in the scenario have a perfect CSI. The objective is the minimization of the total transmit power subject to maximum bit error rate (BER) constraints for each link. The mathematical optimization problem is non-convex and, therefore, classical solutions based on gradient search or alternate & maximize schemes may find a local suboptimum design. As a possible solution, the application of the simulated annealing technique has been proposed, a powerful stochastic optimization tool able to find the global optimum design even when the problem is non-convex.The errors in the available CSI may decrease importantly the system performance if they are not taken into account explicitly in the design. This degradation has been studied for the single-user MIMO-OFDM system. An analytical expression of an upper-bound on the maximum relative signal to noise plus interference ratio degradation has been found.The system performance can be improved when exploiting an imperfect CSI by using adequate robustness strategies. Two robust approaches have been proposed: the Bayesian and the maximin solutions. The Bayesian approach is a full statistical solution that optimizes the mean value of the performance function averaged over the statistics of the actual channel and the errors in the CSI. On the other hand, the maximin approach provides a design that optimizes the worst system performance for any possible error in a predefined uncertainty region.Two simple examples of Bayesian designs have been provided. First, a power allocation has been derived for an OFDM system with one transmit and one receive antenna minimizing the mean value of an upper-bound on the BER. Afterwards, a design of a multi-antenna transmitter with a bank of filters and a single-antenna receiver has been proposed, whose objective is either the maximization of the mean signal to noise ratio (SNR) or the minimization of the mean square error.Finally, a robust maximin design has been proposed for a single-user MIMO system, in which the transmitter is based on the combination of an orthogonal space time block code (OSTBC), a power allocation stage, and a set of beamformers coupling the transmission through the estimated channel eigenmodes. The power allocation has been found according to a channel estimate and an uncertainty region for the error in this estimate, so that the worst SNR for any error in the uncertainty region is maximized. This design has been then extended and applied to adaptive modulation schemes and multicarrier modulations, showing that the performance is much better than that achieved by a pure OSTBC solution or a non-robust beamforming scheme.

[ES] La estandarización de la Quinta Generación de redes móviles o 5G, ha concluido este año 2020. No obstante, en el año 2014 cuando la ITU empezó el proceso de estandarización IMT-2020, una de las principales interrogantes era cuál sería la forma de onda sobre la cual se construiría la capa física de esta nueva generación de tecnologías. El 3GPP se comprometió a entregar una tecnología candidata al proceso IMT-2020, y es así como dentro de este proceso de deliberación se presentaron varias formas de onda candidatas, las cuales fueron evaluadas en varios aspectos hasta que en el año 2016 el 3GPP tomó una decisión, continuar con CP-OFDM (utilizada en 4G) con numerología flexible. Una vez decidida la forma de onda, el proceso de estandarización continuó afinando la estructura de la trama, y todos los aspectos intrínsecos de la misma. Esta tesis acompañó y participó de todo este proceso. Para empezar, en esta disertación se evaluaron las principales formas de onda candidatas al 5G. Es así que se realizó un análisis teórico de cada forma de onda, destacando sus fortalezas y debilidades, tanto a nivel de implementación como de rendimiento. Posteriormente, se llevó a cabo una implementación real en una plataforma Software Defined Radio de tres de las formas de onda más prometedoras (CP-OFDM, UFMC y OQAM-FBMC), lo que permitió evaluar su rendimiento en términos de la tasa de error por bit, así como la complejidad de su implementación. Esta tesis ha propuesto también el uso de una solución armonizada como forma de onda para el 5G y sostiene que sigue siendo una opción viable para sistemas beyond 5G. Dado que ninguna de las forma de onda candidatas era capaz de cumplir por sí misma con todos los requisitos del 5G, en lugar de elegir una única forma de onda se propuso construir un transceptor que fuese capaz de construir todas las principales formas de onda candidatas (CP-OFDM, P-OFDM, UFMC, QAM-FBMC, OQAM-FBMC). Esto se consiguió identificando los bloques comunes entre las formas de onda, para luego integrarlos junto con el resto de bloques indispensables para cada forma de onda. La motivación para esta solución era tener una capa física que fuese capaz de cumplir con todos los aspectos del 5G, seleccionando siempre la mejor forma de onda según el escenario. Esta propuesta fue evaluada en términos de complejidad, y los resultados se compararon con la complejidad de cada forma de onda. La decisión de continuar con CP-OFDM con numerología flexible como forma de onda para el 5G se puede considerar también como una solución armonizada, ya que al cambiar el prefijo cíclico y el número de subportadoras, cambian también las prestaciones del sistema. En esta tesis se evaluaron todas las numerologías propuestas por el 3GPP sobre cada uno de los modelos de canal descritos para el 5G (y considerados válidos para sistemas beyond 5G), teniendo en cuenta factores como la movilidad de los equipos de usuario y la frecuencia de operación; para esto se utilizó un simulador de capa física del 3GPP, al que se hicieron las debidas adaptaciones con el fin de evaluar el rendimiento de las numerologías en términos de la tasa de error por bloque. Finalmente, se presenta un bosquejo de lo que podría llegar a ser la Sexta Generación de redes móviles o 6G, con el objetivo de entender las nuevas aplicaciones que podrían ser utilizadas en un futuro, así como sus necesidades. Completado el estudio llevado a cabo en esta tesis, se puede afirmar que como se propuso desde un principio la solución, tanto para el 5G como para beyond 5G, la solución es la armonización de las formas de onda. De los resultados obtenidos se puede corroborar que una solución armonizada permite alcanzar un ahorro computacional entre el 25-40% para el transmisor y del 15-25% para el receptor. Además, fue posible identificar qué numerología CP-OFDM es la más adecuada para cada escenario, lo que permitiría optimizar el diseño y despliegue de las redes 5G. Esto abriría la puerta a hacer lo mismo con el 6G, ya que en esta tesis se considera que será necesario abrir nuevamente el debate sobre cuál es la forma de onda adecuada para esta nueva generación de tecnologías, y se plantea que el camino a seguir es optar por una solución armonizada con distintas formas de onda, en lugar de solo una como sucede con el 5G. / [CA] L'estandardització de la Quinta Generació de xarxes mòbils o 5G, ha conclòs enguany 2020. No obstant això, l'any 2014 quan la ITU va començar el procés d'estandardització IMT-2020, uns dels principals interrogants era quina seria la forma d'onda sobre la qual es construiria la capa física d'esta nova generació de tecnologies. El 3GPP es va comprometre a entregar una tecnologia candidata al procés IMT-2020, i és així com dins d'este procés de deliberació es van presentar diverses formes d'onda candidates, les quals van ser avaluades en diversos aspectes fins que l'any 2016 el 3GPP va prendre una decisió, continuar amb CP-OFDM (utilitzada en 4G) amb numerología flexible. Una vegada decidida la forma d'onda, el procés d'estandardització va continuar afinant la frame structure (no se m'ocorre nom en espanyol), i tots els aspectes intrínsecs de la mateixa. Esta tesi va acompanyar i va participar de tot este procés. Per a començar, en esta dissertació es van avaluar les principals formes d'onda candidates al 5G. És així que es va realitzar una anàlisi teòrica de cada forma d'onda, destacant les seues fortaleses i debilitats, tant a nivell d'implementació com de rendiment. Posteriorment, es va dur a terme una implementació real en una plataforma Software Defined Radio de tres de les formes d'onda més prometedores (CP-OFDM, UFMC i OQAM-FBMC), la qual cosa va permetre avaluar el seu rendiment en termes de la taxa d'error per bit, així com la complexitat de la seua implementació. Esta tesi ha proposat també l'ús d'una solució harmonitzada com a forma d'onda per al 5G i sosté que continua sent una opció viable per a sistemes beyond 5G. Atés que cap de les forma d'onda candidates era capaç de complir per si mateixa amb tots els requeriments del 5G, en compte de triar una única forma d'onda es va proposar construir un transceptor que fóra capaç de construir totes les principals formes d'onda candidates (CP-OFDM, P-OFDM, UFMC, QAM-FBMC, OQAM-FBMC). Açò es va aconseguir identificant els blocs comuns entre les formes d'onda, per a després integrar-los junt amb la resta de blocs indispensables per a cada forma d'onda. La motivació per a esta solució era tindre una capa física que fóra capaç de complir amb tots els aspectes del 5G, seleccionant sempre la millor forma d'onda segons l'escenari. Esta proposta va ser avaluada en termes de complexitat, i els resultats es van comparar amb la complexitat de cada forma d'onda. La decisió de continuar amb CP-OFDM amb numerología flexible com a forma d'onda per al 5G es pot considerar també com una solució harmonitzada, ja que al canviar el prefix cíclic i el número de subportadores, canvien també les prestacions del sistema. En esta tesi es van avaluar totes les numerologías propostes pel 3GPP sobre cada un dels models de canal descrits per al 5G (i considerats vàlids per a sistemes beyond 5G), tenint en compte factors com la mobilitat dels equips d'usuari i la freqüència d'operació; per a açò es va utilitzar un simulador de capa física del 3GPP, a què es van fer les degudes adaptacions a fi d'avaluar el rendiment de les numerologías en termes de la taxa d'error per bloc. Finalment, es presenta un esbós del que podria arribar a ser la Sexta Generació de xarxes mòbils o 6G, amb l'objectiu d'entendre les noves aplicacions que podrien ser utilitzades en un futur, així com les seues necessitats. Completat l'estudi dut a terme en esta tesi, es pot afirmar que com es va proposar des d'un principi la solució, tant per al 5G com per a beyond 5G, la solució és l'harmonització de les formes d'onda. dels resultats obtinguts es pot corroborar que una solució harmonitzada permet aconseguir un estalvi computacional entre el 25-40% per al transmissor i del 15-25% per al receptor. A més, va ser possible identificar què numerología CP-OFDM és la més adequada per a cada escenari, la qual cosa permetria optimitzar el disseny i desplegament de les xarxes 5G. Açò obriria la porta a fer el mateix amb el 6G, ja que en esta tesi es considera que serà necessari obrir novament el debat sobre quina és la forma d’onda adequada per a esta nova generació de tecnologies, i es planteja que el camí que s’ha de seguir és optar per una solució harmonitzada amb distintes formes d’onda, en compte de només una com succeïx amb el 5G. / [EN] The standardization of the Fifth Generation of mobile networks or 5G is still ongoing, although the first releases of the standard were completed two years ago and several 5G networks are up and running in several countries around the globe. However, in 2014 when the ITU began the IMT-2020 standardization process, one of the main questions was which would be the waveform to be used on the physical layer of this new generation of technologies. The 3GPP committed to submit a candidate technology to the IMT-2020 process, and that is how within this deliberation process several candidate waveforms were presented. After a thorough evaluation regarding several aspects, in 2016 the 3GPP decided to continue with CP-OFDM (used in 4G) but including, as a novelty, the use of a flexible numerology. Once the waveform was decided, the standardization process continued to fine-tune the frame structure and all the intrinsic aspects of it. This thesis accompanied and participated in this entire process. To begin with, this dissertation evaluates the main 5G candidate waveforms. Therefore, a theoretical analysis of each waveform is carried out, highlighting its strengths and weaknesses, both at the implementation and performance levels. Subsequently, a real implementation on a Software Defined Radio platform of three of the most promising waveforms (CP-OFDM, UFMC, and OQAM-FBMC) is presented, which allows evaluating their performance in terms of bit error rate, as well as the complexity of its implementation. This thesis also proposes the use of a harmonized solution as a waveform for 5G and argues that it remains a viable option for systems beyond 5G. Since none of the candidate waveforms was capable of meeting on its own with all the requirements for 5G, instead of choosing a single waveform, this thesis proposes to build a transceiver capable of building all the main waveforms candidates (CP-OFDM, P-OFDM, UFMC, QAM-FBMC, OQAM-FBMC). This is achieved by identifying the common blocks between the waveforms and then integrating them with the rest of the essential blocks for each waveform. The motivation for this solution is to have a physical layer that is capable of complying with all aspects of beyond 5G technologies, always selecting the best waveform according to the scenario. This proposal is evaluated in terms of complexity, and the results are compared with the complexity of each waveform. The decision to continue with CP-OFDM with flexible numerology as a waveform for 5G can also be considered as a harmonized solution, since changing the cyclic prefix and the number of subcarriers, changes also the performance of the system. In this thesis, all the numerologies proposed by the 3GPP are evaluated on each of the channel models described for 5G (and considered valid for beyond 5G systems), taking into account factors such as the mobility of the user equipment and the operating frequency. For this, a 3GPP physical layer simulator is used, and proper adaptations are made in order to evaluate the performance of the numerologies in terms of the block error rate. Finally, a sketch of what could become the Sixth Generation of mobile networks or 6G is presented, with the aim of understanding the new applications that could be used in the future, as well as their needs. After the completion of the study carried out in this thesis, it can be said that, as stated from the beginning, for both 5G and beyond 5G systems, the solution is the waveform harmonization. From the results obtained, it can be corroborated that a harmonized solution allows achieving computational savings between 25-40% for the transmitter and 15-25% for the receiver. In addition, it is possible to identify which CP-OFDM numerology is the most appropriate for each scenario, which would allow optimizing the design and deployment of 5G networks. This would open the door to doing the same with 6G, i.e., a harmonized solution with different waveforms, instead of just one as in 5G. / Flores De Valgas Torres, FJ. (2020). Study on Air Interface Variants and their Harmonization for Beyond 5G Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/164442

[ES] Las tendencias actuales en los sistemas de comunicaciones por satélite, que implican la operación en entornos multiportadora, a frecuencias cada vez más elevadas y con mayores exigencias en términos de capacidad de transmisión, hacen necesaria la utilización de mayores niveles de potencia. El incremento de la potencia requerida, unido a la disminución del tamaño de los componentes por el aumento de la frecuencia de trabajo, y por las restricciones en términos de tamaño y peso, estimula la aparición de efectos de alta potencia. Entre estos efectos, que impactan en las prestaciones del sistema, e incluso, en algunos casos, pueden llegar a ser dañinos para los componentes, destacan el efecto multipactor, el efecto corona y la intermodulación pasiva. De entre todos estos efectos indeseados, esta tesis se ha centrado más en el efecto multipactor. Aunque este efecto rara vez llega a dañar un componente por si mismo, afecta a sus prestaciones y es la antesala del efecto corona, que sí que puede ser extremadamente perjudicial para la integridad del sistema de comunicaciones. %Es por ello por lo que el estudio de estos efectos es de especial relevancia en el campo de las comunicaciones espaciales. El efecto multipactor ha sido ampliamente estudiado para señales de envolvente constante y empleando modelos simplificados de placas paralelas. Si bien estos modelos son efectivos y permiten calcular una estimación del umbral multipactor de manera rápida, son demasiado conservadores para la situación actual de los sistemas de comunicaciones, donde las capacidades de transmisión requeridas son extremadamente altas. Debido a la complejidad que presenta estimar el umbral multipactor en los sistemas reales de forma analítica, es habitual recurrir a herramientas de simulación electromagnética combinadas con física de partículas para tratar de calcular estos umbrales. No obstante, aunque estos métodos bien configurados son bastante precisos, requieren de un elevado tiempo computacional, que puede llegar a ser de varias horas o incluso días en dispositivos complejos como filtros o multiplexores. Es por ello por lo que esta tesis doctoral ha profundizado en el estudio de métodos circuitales, que puedan hacer uso de información electromagnética. Éstos, si bien no resultan tan precisos como las simulaciones de partículas, permiten una estimación rápida del umbral que puede ser de gran ayuda para el diseñador de dispositivos que presenten requisitos de potencia. No obstante, y dada la complejidad de obtener estos umbrales de forma precisa, es habitual tener que certificar los componentes en un laboratorio previamente a su lanzamiento. En este ámbito, la presente tesis ha contribuido en dos aspectos. En primer lugar, se ha desarrollado una nueva muestra que permite caracterizar los bancos de medidas de multipactor hasta frecuencias en banda Ka. Por otro lado, se ha diseñado íntegramente un conjunto de multiplexores que se han integrado en un banco de ensayo de multipactor con diversas portadoras, dando lugar a un escenario más similar al que se puede encontrar en los sistemas de comunicaciones vía satélite actuales. Además, el diseño de estos multiplexores ha dado lugar al desarrollo de un método sistemático, que ha permitido concebir estos componentes con un alto nivel de precisión y en un tiempo bastante comedido. Por último, en cuanto al diseño de componentes pasivos de microondas operando a altas frecuencias, esta tesis doctoral ha profundizado en la familia de filtros MHFRW. Estos filtros, por sus propiedades geométricas, son apropiados para aplicaciones de alta potencia y que requieran bajos niveles de PIM. A esta topología, que viene siendo estudiada en los últimos años, se le ha aumentado su capacidad para implementar respuestas superelípticas, es decir, que incluyan más ceros de transmisión que el orden del filtro. Además, es posible conseguir situar los ceros en ubicaciones arbitrarias de manera independiente. / [CA] Les tendències actuals en els sistemes de comunicacions per satèl·lit, que impliquen l'operació en entorns multiportadora, a freqüències cada vegada més elevades i amb majors exigències en termes de capacitat de transmissió, fan necessària la utilització de majors nivells de potència. L'increment de la potència requerida, unit a la disminució de la grandària dels components per l'augment de la freqüència de treball, i per les restriccions en termes de grandària i pes, estimula l'aparició d'efectes d'alta potència. Entre aquests efectes, que impacten en les prestacions del sistema, i fins i tot, en alguns casos, poden arribar a ser nocius per als components, destaquen l'efecte multipactor, l'efecte corona i la intermodulació passiva. D'entre tots aquests efectes indesitjats, aquesta tesi s'ha centrat més en l'efecte multipactor. Encara que aquest efecte rares vegades arriba a danyar un component per si mateix, afecta a les seues prestacions i és l'avantsala de l'efecte corona, que sí que pot ser extremadament perjudicial per a la integritat del sistema de comunicacions. L'efecte multipactor ha sigut profundament estudiant per a senyals d'envolupant constant i emprant models simplificats de plaques paral·leles. Si bé aquests models són efectius i permeten calcular una estimació del llindar multipactor de manera ràpida, són massa conservadors per a la situació actual dels sistemes de comunicacions, en què les capacitats de transmissió requerides són extremadament altes. A causa de la complexitat que presenta estimar el llindar multipactor en els sistemes reals de manera analítica, és habitual recórrer a eines de simulació electromagnètica combinades amb física de partícules per a tractar de calcular aquests llindars. No obstant això, encara que aquests mètodes ben configurats són bastant precisos, requereixen d'un elevat temps computacional, que pot arribar a ser de diverses hores o fins i tot dies en dispositius complexos com a filtres o multiplexors. És per això que aquesta tesi doctoral ha aprofundit en l'estudi de mètodes circuitales, que puguen fer ús d'informació electromagnètica. Aquests, si bé no resulten tan precisos com les simulacions de partícules, permeten una estimació ràpida del llindar que pot ser de gran ajuda per al dissenyador de dispositius que presenten requisits de potència. No obstant això, i donada la complexitat d'obtindre aquests llindars de manera precisa, és habitual haver de certificar els components en un laboratori prèviament al seu llançament. En aquest àmbit, la present tesi ha contribuït en dos aspectes. En primer lloc, s'ha desenvolupat una nova mostra que permet caracteritzar els bancs de mesures de multipactor fins a freqüències en banda Ka. D'altra banda, s'ha dissenyat íntegrament un conjunt de multiplexors que s'han integrat en un banc d'assaig de multipactor amb diverses portadores, donant lloc a un escenari més similar al que es pot trobar en els sistemes de comunicacions via satèl·lit actuals. A més, el disseny d'aquests multiplexors ha donat lloc al desenvolupament d'un mètode sistemàtic, que ha permés concebre aquests components amb un alt nivell de precisió i en un temps bastant moderat. Finalment, quant al disseny de components passius de microones operant a altes freqüències, aquesta tesi doctoral ha aprofundit en la família de filtres MHFRW. Aquests filtres, per les seues propietats geomètriques, són apropiats per a aplicacions d'alta potència i que requerisquen baixos nivells de PIM. A aquesta topologia, que és estudiada en els últims anys, se li ha augmentat la seua capacitat per a implementar respostes superel·líptiques, és a dir, que incloguen més zeros de transmissió que l'ordre del filtre. A més, és possible aconseguir situar els zeros en ubicacions arbitràries de manera independent. Aquest fet aporta una gran flexibilitat al dissenyador i a més permet obtindre elevats nivells de rebuig, donant lloc a una família de filtres ideals per a diverses aplicacions. / [EN] Current trends in satellite communications systems, involving operation in multi-carrier environments at increasingly higher frequencies and with higher demands in terms of transmission capacity, make it necessary the use of higher power levels. The power increase, along with the footprint reduction due to the increase in operating frequency and the restrictions regarding component size and weight, stimulates the ignition of high-power effects. Among these effects, which impact system performance and, in some cases, can even be harmful to the components, are the multipactor effect, the corona effect and passive intermodulation. From all of these undesired effects, this thesis has focused in more extent on the multipactor effect. Although this effect in itself rarely causes physical damage to the component, it can affect to its performance and is the prelude to the corona effect, which can be extremely damaging to the integrity of the communications system. The multipactor effect has been widely studied for constant envelope signals and using simplified parallel plate models. While these models are effective and allow obtaining a fast estimate of the multipactor threshold, they are too conservative for today communications systems, where the required transmission capacities are extremely high. Due to the complexity of estimating the multipactor threshold in real systems analytically, it is common to resort to electromagnetic simulation tools combined with particle physics to try to calculate these thresholds. However, although these methods, once they are well-configured, are pretty accurate, they are also computationally time-consuming, in the order of several hours or even days for complex devices such as filters or multiplexers. This is why this doctoral thesis has focused on studying circuit methods, which can also take profit of electromagnetic information. Although these methods are not as accurate as particle simulations, they allow a quick estimation of the threshold that can significantly help the designer of microwave devices with power requirements. However, given the complexity of obtaining these thresholds accurately, it is common to have to certify the components in a laboratory prior to their launch. This thesis has contributed in two aspects to this area. Firstly, a new sample has been developed to characterise multipactor measurement benches up to Ka-band frequencies. On the other hand, a set of multiplexers has been fully designed and integrated into a multipactor test bench with different carriers, resulting in a scenario more similar to the one found in real satellite communication systems. In addition, the design of these multiplexers has led to the development of a systematic methodology, which has made it possible to design these components with high accuracy and in a relatively short time. Last but not the least, regarding the design of passive microwave components operating at high frequencies, this doctoral thesis has delved into the MHFRW family of filters. These filters, due to their geometric properties, are appropriate for high power applications that require low levels of PIM. This topology, which has been studied in recent years, has been enhanced by increasing its capacity to implement super-elliptic responses, namely responses including more transmission zeros than the order of the filter. In addition, it allows to place the zeros in arbitrary locations independently. This provides great flexibility to the designer and also allows high rejection levels to be obtained, giving rise to a family of filters ideal for various applications, ranging from filters for satellite payloads to the implementation of multiplexers for passive intermodulation measurement test beds. / González Santatecla, P. (2024). High Power Effects in Microwave Filters for Space Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207526

[ES] En los últimos años han proliferado los nuevos sistemas de satélites, sobre todo las grandes constelaciones en las órbitas terrestres bajas. Casi todos los satélites transmiten señales digitales con diversas modulaciones y niveles de potencia. Y no sólo eso, el modelo de negocio exige un rápido despliegue de los satélites, lo que impone enormes restricciones a los proveedores de equipos de carga útil de microondas. Un área de riesgo clave para estos equipos sigue siendo la avería del multipactor bajo niveles de potencia de moderados a altos. Debido a la aleatoriedad inherente al fenómeno multipactor, los clientes tienden a añadir márgenes de diseño adicionales para los componentes de microondas de alta potencia. Esto se traduce en costes más elevados, dispositivos más voluminosos y más tiempo para las pruebas. A partir de la experiencia personal realizando ensayos de multipactor, la principal motivación del trabajo descrito en la tesis ha sido emprender una revisión exhaustiva de este fenómeno y desarrollar capacidades de ensayo multipactor de vanguardia. Proporcionar medios para la prueba rápida de multipactores bajo una variedad de señales moduladas de banda ancha. La tesis demuestra que las modulaciones analógicas y digitales tienen un impacto significativo en el umbral multipactor. También se analizan los regímenes multipactor a corto y largo plazo, regímenes que, en algunos casos, presentan umbrales multipactor muy diferentes para el mismo hueco crítico. La necesidad de reducir el peso de la carga útil de microondas convierte a la multiportadora en una excelente opción para los diseñadores. Al encaminar varias señales a través del mismo dispositivo, el peso de la carga útil se reduce drásticamente. Las soluciones comerciales para pruebas multicarrier no son adecuadas debido a los altos niveles de potencia requeridos. Se presentan varias estrategias para implementar bancos de pruebas multiportadora con parámetros controlables. Los resultados demuestran que la señal generada es precisa y estable en el tiempo. Por último, se propone un novedoso sistema de detección de multipactores para hacer frente a la detección de multipactores cuando se utilizan señales moduladas y multiportadora de cualquier ancho de banda. Este método tiene la misma sensibilidad que el conocido anulador de microondas para señales de onda continua y la supera para señales moduladas. El procesamiento digital de señales utilizado para detectar los patrones multipactor proporciona un método de detección totalmente autónomo. / [CA] En els darrers anys han proliferat els nous sistemes de satèl·lits, sobretot les grans constel·lacions a les òrbites terrestres baixes. Gairebé tots els satèl·lits transmetten dades digitals amb diverses modulacions i nivells de potència. I no només això, el model de negoci exigeix un ràpid desplegament dels satèl·lits, cosa que imposa enormes restriccions als proveïdors de càrrega útil de microones. Una àrea de risc clau per a aquests equips continua sent la descarrega de multipactor sota nivells de potència de moderats a alts. A causa de l'aleatorietat inherent al fenomen multipactor, els clients tendeixen a afegir marges de disseny addicionals per als components de microones d'alta potència. Això es tradueix en costos més elevats, dispositius més voluminosos i més temps per a les proves. A partir de l'experiència personal realitzant assajos de multipactor, la motivació principal del treball descrit a la tesi ha estat emprendre una revisió exhaustiva d'aquest fenomen i desenvolupar capacitats d'assaig multipactor d'avantguarda. Proporcionar mitjans per a la prova ràpida de multipactors sota una varietat de senyals modulats de banda ampla. La tesi demostra que les modulacions analògiques i digitals tenen un impacte significatiu al llindar multipactor. També s'analitzen els règims multipactor a curt i llarg termini, règims que, en alguns casos, presenten llindars multipactor molt diferents per al buit crític mateix. La necessitat de reduir el pes de la càrrega útil de microones fa de la transmissií multiportadora en una excel·lent opció per als dissenyadors. Encaminant diverses senyals a través del mateix dispositiu, el pes de la càrrega útil es redueix dràsticament. Les solucions comercials per a proves multicarrier no són adequades a causa dels alts nivells de potència requerits. Es presenten diverses estratègies per implementar bancs de proves multiportadora amb paràmetres controlables. Els resultats demostren que el senyal amb què s'alimenta el dispositiu sotmès a proves és precís i estable en el temps. Finalment, es proposa un nou sistema de detecció de multipactors per fer front a la detecció de multipactors quan s'utilitzen senyals modulats i multiportadors de qualsevol amplada de banda. Aquest mètode té la mateixa sensibilitat que el conegut anul·lador de microones per a senyals d'ona contínua i la supera per a senyals modulats. El processament digital de senyals utilitzat per detectar els patrons multiactor proporciona un mètode de detecció totalment autònom. / [EN] In the recent past, there has been a proliferation of new satellite systems, especially the large constellations in the Low Earth Orbits (LEOs). Nearly all satellites now carry digital traffic with a variety of modulations and power levels. Not only that, the business model requires rapid deployment of satellites, putting enormous constraints for the suppliers of microwave payload hardware. A key risk area for such equipment remains the multipactor breakdown under moderate to high power levels. Owing to the inherent randomness of the multipactor phenomenon, customers tend to add extra design margins for the high power microwave components. This results in higher costs, bulkier devices and longer time for testing. Based on personal experience in multipactor testing, the prime motivator for the work described in the thesis has been to undertake a comprehensive review of this phenomenon and develop cutting edge multipactor test capabilities, providing means for the rapid multipactor testing under a variety of wide-band modulated signals. The thesis dissertation shows that analog and digital modulations have a significant impact in the multipactor threshold. The short and long-term multipactor regimes are also analyzed, regimes that, in some cases, have very different multipactor thresholds for the same critical gap. The need to reduce the microwave payload weight by using multicarriers in a single transponder provides an excellent option for designers. By routing several signals through the same device, the payload weight is dramatically reduced. Commercial solutions for multicarrier testing are not suitable because of the high power levels required. Several strategies to implement multipactor test benches with controllable parameters are presented. Results prove that the signal being fed to the device under tests is accurate and stable over time. Finally, a novel multipactor detection system is proposed to cope with multipactor detection when modulated and multicarrier signals of any bandwidth are used. This method has the same sensitivity as the well known microwave nulling for continuous wave signals and surpasses it for modulated signals. The digital signal processing used to detect the multipactor patterns provides a full autonomous detection method. / Monerris Belda, Ó. (2023). Advanced Techniques for Multipactor Testing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192786