Structural health monitoring network system with wireless communications inside closed aerospace structures

Structural Health Monitoring (SHM) requires integrated "all in one" electronic devices capable of performing analysis of structural integrity and on-board damage detection in aircraft?s structures. PAMELA III (Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment, version III) SHM embedded system is an example of this device type. This equipment is capable of generating excitation signals to be applied to an array of integrated piezoelectric Phased Array (PhA) transducers stuck to aircraft structure, acquiring the response signals, and carrying out the advanced signal processing to obtain SHM maps. PAMELA III is connected with a host computer in order to receive the configuration parameters and sending the obtained SHM maps, alarms and so on. This host can communicate with PAMELA III through an Ethernet interface. To avoid the use of wires where necessary, it is possible to add Wi-Fi capabilities to PAMELA III, connecting a Wi-Fi node working as a bridge, and to establish a wireless communication between PAMELA III and the host. However, in a real aircraft scenario, several PAMELA III devices must work together inside closed structures. In this situation, it is not possible for all PAMELA III devices to establish a wireless communication directly with the host, due to the signal attenuation caused by the different obstacles of the aircraft structure. To provide communication among all PAMELA III devices and the host, a wireless mesh network (WMN) system has been implemented inside a closed aluminum wingbox. In a WMN, as long as a node is connected to at least one other node, it will have full connectivity to the entire network because each mesh node forwards packets to other nodes in the network as required. Mesh protocols automatically determine the best route through the network and can dynamically reconfigure the network if a link drops out. The advantages and disadvantages on the use of a wireless mesh network system inside closed aerospace structures are discussed.

Simulation of impulse response for indoor visible light communications using 3D CAD models

n this article, a tool for simulating the channel impulse response for indoor visible light communications using 3D computer-aided design (CAD) models is presented. The simulation tool is based on a previous Monte Carlo ray-tracing algorithm for indoor infrared channel estimation, but including wavelength response evaluation. The 3D scene, or the simulation environment, can be defined using any CAD software in which the user specifies, in addition to the setting geometry, the reflection characteristics of the surface materials as well as the structures of the emitters and receivers involved in the simulation. Also, in an effort to improve the computational efficiency, two optimizations are proposed. The first one consists of dividing the setting into cubic regions of equal size, which offers a calculation improvement of approximately 50% compared to not dividing the 3D scene into sub-regions. The second one involves the parallelization of the simulation algorithm, which provides a computational speed-up proportional to the number of processors used.

Integration of wearable devices in a wireless sensor network for an e-health application

Applications based on Wireless Sensor Networks for Internet of Things scenarios are on the rise. The multiple possibilities they offer have spread towards previously hard to imagine fields, like e-health or human physiological monitoring. An application has been developed for its usage in scenarios where data collection is applied to smart spaces, aiming at its usage in fire fighting and sports. This application has been tested in a gymnasium with real, non-simulated nodes and devices. A Graphic User Interface has been implemented to suggest a series of exercises to improve a sportsman/woman s condition, depending on the context and their profile. This system can be adapted to a wide variety of e-health applications with minimum changes, and the user will interact using different devices, like smart phones, smart watches and/or tablets.

Optically Reconfigurable RF Circuits using Silicon Switches

Mobile and wireless communications systems have become an important part of our everyday lives. These ubiquitous technologies have a profound effect on how we live. People predict bright future to wireless technologies, but it wouldn’t be possible without a hard work of thousands of scientists in the wireless innovation research arena. My Marie Curie project is investigating enabling technologies for future mobile and wireless communications systems

Untainted puncturing for irregular low-density parity-check codes

Puncturing is a well-known coding technique widely used for constructing rate-compatible codes. In this paper, we consider the problem of puncturing low-density parity-check codes and propose a new algorithm for intentional puncturing. The algorithm is based on the puncturing of untainted symbols, i.e. nodes with no punctured symbols within their neighboring set. It is shown that the algorithm proposed here performs better than previous proposals for a range of coding rates and short proportions of punctured symbols.

Reducing communication overhead for cooperative localization using nonparametric belief propagation

A number of methods for cooperative localization has been proposed, but most of them provide only location estimate, without associated uncertainty. On the other hand, nonparametric belief propagation (NBP), which provides approximated posterior distributions of the location estimates, is expensive mostly because of the transmission of the particles. In this paper, we propose a novel approach to reduce communication overhead for cooperative positioning using NBP. It is based on: i) communication of the beliefs (instead of the messages), ii) approximation of the belief with Gaussian mixture of very few components, and iii) censoring. According to our simulations results, these modifications reduce significantly communication overhead while providing the estimates almost as accurate as the transmission of the particles.

Ensayos de laboratorio para la medida de la tasa de absorción específica (SAR) en dispositivos móviles

El proyecto trata del estudio de la tasa de absorción específica (SAR). En él se estudia la SAR que desprenden distintos dispositivos de comunicaciones inalámbricos. Se ha llevado a cabo en las instalaciones de la SETSI, en el laboratorio de radiofrecuencia situado en El Casar, Guadalajara, que pertenece al Ministerio de Industria Comercio y Turismo. La SAR es una relación entre la energía electromagnética acumulada en una masa de un material o tejido concreto. Por tanto, lo primero es definir la SAR, en la que se exponen sus parámetros. Además, se recogen los límites de exposición fijados por las normas internacionales IEC 62209-1 e IEC 62209-2 en relación a SAR. Posteriormente, acorde con las normas, se realiza una definición detallada de un banco de medidas de SAR, en donde se explica cada uno de los componentes del banco de manera detallada así como los sistemas que intervienen previamente a la realización de la medida, tipos de los sistemas para realizar las verificaciones pertinentes, y también las incertidumbres de ciertos parámetros. También se realiza un proceso completo de medida de SAR en el laboratorio de la SETSI, donde se realizan las comprobaciones necesarias para la realización de una serie de medidas sobre dispositivos de comunicaciones móviles. Éstas medidas se realizan primero sobre un teléfono móvil en las frecuencias de GSM, UMTS y WIFI, en las configuraciones estipuladas por la norma; “tocando” e “inclinada 15°” comparando los valores obtenidos con los límites marcados por las normas internacionales. Por último, en este apartado se realizan ciertas medidas con otras configuraciones que no están recogidas en la norma para intentar obtener los máximos valores de SAR posibles. Después se realiza una comparación entre dos dispositivos tipo “tablet”, para ello se realizan medidas en la banda de WIFI y se comentan los resultados obtenidos, relacionado con el diseño de cada uno de ellos. Posteriormente se realiza un presupuesto de un banco de SAR, donde se detallan todos los componentes que intervienen en la realización de las medidas de SAR, pero no se incluyen en él, los costes de mantenimiento o los costes relacionados con su uso. Por último se explican las conclusiones finales desprendidas de la realización de este proyecto de fin de carrera así como la bibliografía utilizada. ABTRACT This project consists on the study of the specific absorption rate (SAR).It studies the different SAR of several wireless communications devices. It has been held in SETSI’S facilities, in its radio frecuency laboratory located in El Casar, Guadalajara, which belongs to the Ministy of Industry, Trade and Tourism. The SAR is a ratio between the electromagnetic energy accumulated in a mass of concrete material or tissue. Therefore, the SAR is defined first, which sets its parameters. Also lists the exposure limits set by international standards IEC 62209-1 and IEC 62209-2 regarding SAR. Subsequently, according to the guidelines, performing a detailed definition of a SAR measures bench, which explains each of the components in detail of the bench and involved systems prior to the realization of the extent and types of systems to perform the necessary checks, and certain parameters uncertainties. Also performed a complete process for SAR in the SETSI laboratory, located in El Casar, Guadalajara, where the necessary checks are made to carry out a serie of measures on mobile communications devices. These will be carried out first on a mobile phone at frequencies of GSM, UMTS and WiFi, in the configurations set by the standard, "touch" and "tilt 15 °" comparing the values obtained with the limits set by international standards. Finally, this section will perform certain actions with other configurations that are not included in the standard to try to get the maximum possible SAR values. Then a comparison is made between two devices, such as "tablet", this will make measurements in the band WIFI and discussed the results, related to the design of each. Subsequently, a budget of a SAR bench, detailing all components involved in SAR measures, but not included in it, maintenance costs or the costs associated with its use. Finally conclusions are explained detached from the realization of this project as well as the bibliography used on it.

Desarrollo de aplicaciones de comunicaciones inalámbricas en sistemas de monitorización estructural desarrollados en aeronáutica.

Los Sistemas de SHM o de monitorización de la integridad estructural surgen ante la necesidad de mejorar los métodos de evaluación y de test no destructivos convencionales. De esta manera, se puede tener controlado todo tipo de estructuras en las cuales su correcto estado o funcionamiento suponga un factor crítico. Un Sistema SHM permite analizar una estructura concreta capturando de manera periódica el estado de la integridad estructural, que en este proyecto se ha aplicado a estructuras aeronáuticas. P.A.M.E.L.A. (Phase Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) es la denominación utilizada para definir una serie de equipos electrónicos para Sistemas SHM desarrollados por AERNOVA y los Grupos de Diseño Electrónico de las universidades UPV/EHU y UPM. Los dispositivos P.A.M.E.L.A. originalmente no cuentan con tecnología Wi-Fi, por lo que incorporan un módulo hardware independiente que se encarga de las comunicaciones inalámbricas, a los que se les denomina Nodos. Estos Nodos poseen un Sistema Operativo propio y todo lo necesario para administrar y organizar la red Mallada Wi-Fi. De esta manera se obtiene una red mallada inalámbrica compuesta por Nodos que interconectan los Sistemas SHM y que se encargan de transmitir los datos a los equipos que procesan los resultados adquiridos por P.A.M.E.L.A. Los Nodos son dispositivos empotrados que llevan instalados un firmware basado en una distribución de Linux para Nodos (o Routers), llamado Openwrt. Que para disponer de una red mallada necesitan de un protocolo orientado a este tipo de redes. Entre las opciones de protocolo más destacadas se puede mencionar: DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), OLSR (Optimized Link State Routing), B.A.T.M.A.N-Adv (Better Approach To Mobile Adhoc Networking Advance), BMX (una versión de B.A.T.M.A.N-Adv), AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) y el DSR (Dynamic Source Routing). Además de la existencia de protocolos orientados a las redes malladas, también hay organizaciones que se dedican a desarrollar firmware que los utilizan, como es el caso del firmware llamado Nightwing que utiliza BMX, Freifunk que utiliza OLSR o Potato Mesh que utiliza B.A.T.M.A.N-Adv. La ventaja de estos tres firmwares mencionados es que las agrupaciones que las desarrollan proporcionan las imágenes precompiladas del sistema,listas para cargarlas en distintos modelos de Nodos. En este proyecto se han instalado las imágenes en los Nodos y se han probado los protocolos BMX, OLSR y B.A.T.M.A.N.-Adv. Concluyendo que la red gestionada por B.A.T.M.A.N.-Adv era la que mejor rendimiento obtenía en cuanto a estabilidad y ancho de banda. Después de haber definido el protocolo a usar, se procedió a desarrollar una distribución basada en Openwrt, que utilice B.A.T.M.A.N.-Adv para crear la red mallada, pero que se ajuste mejor a las necesidades del proyecto, ya que Nightwing, Freifunk y Potato Mesh no lo hacían. Además se implementan aplicaciones en lenguaje ANSI C y en LabVIEW para interactuar con los Nodos y los Sistemas SHM. También se procede a hacer alguna modificación en el Hardware de P.A.M.E.L.A. y del Nodo para obtener una mejor integración entre los dos dispositivos. Y por ultimo, se prueba la transferencia de datos de los Nodos en distintos escenarios. ABSTRACT. Structural Health Monitoring (SHM) systems arise from the need of improving assessment methods and conventional nondestructive tests. Critical structures can be monitored using SHM. A SHM system analyzes periodically a specific structure capturing the state of structural integrity. The aim of this project is to contribute in the implementation of Mesh network for SHM system in aircraft structures. P.A.M.E.L.A. (Phase Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) is the name for electronic equipment developed by AERNOVA, the Electronic Design Groups of university UPV/EHU and the Instrumentation and Applied Acoustics research group from UPM. P.A.M.E.L.A. devices were not originally equipped with Wi-Fi interface. In this project a separate hardware module that handles wireless communications (nodes) has been added. The nodes include an operating system for manage the Wi-Fi Mesh Network and they form the wireless mesh network to link SHM systems with monitoring equipment. Nodes are embedded devices with an installed firmware based on special Linux distribution used in routers or nodes, called OpenWRT. They need a Mesh Protocol to stablish the network. The most common protocols options are: DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), OLSR (Optimized Link State Routing), BATMAN-Adv (Better Approach To Mobile Ad-hoc Networking Advance), BMX (a version of BATMAN-Adv) AODV (Ad hoc on-Demand Distance Vector) and DSR (Dynamic Source Routing). In addition, there are organizations that are dedicated to develope firmware using these Mesh Protocols, for instance: Nightwing uses BMX, Freifunk use OLSR and Potato Mesh uses BATMAN-Adv. The advantage of these three firmwares is that these groups develop pre-compiled images of the system ready to be loaded in several models of Nodes. In this project the images were installed in the nodes. In this way, BMX, OLSR and BATMAN-Adv have been tested. We conclude that the protocol BATMAN-Adv has better performance in terms of stability and bandwidth. After choosing the protocol, the objective was to develop a distribution based on OpenWRT, using BATMAN-Adv to create the mesh network. This distribution is fitted to the requirements of this project. Besides, in this project it has been developed applications in C language and LabVIEW to interact with the Nodes and the SHM systems. The project also address some modifications to the PAMELA hardware and the Node, for better integration between both elements. Finally, data transfer tests among the different nodes in different scenarios has been carried out.

Almost rejectionless sampling from Nakagami-m distributions (m ≥ 1)

The Nakagami-m distribution is widely used for the simulation of fading channels in wireless communications. A novel, simple and extremely efficient acceptance-rejection algorithm is introduced for the generation of independent Nakagami-m random variables. The proposed method uses another Nakagami density with a half-integer value of the fading parameter, mp ¼ n/2 ≤ m, as proposal function, from which samples can be drawn exactly and easily. This novel rejection technique is able to work with arbitrary values of m ≥ 1, average path energy, V, and provides a higher acceptance rate than all currently available methods. RESUMEN. Método extremadamente eficiente para generar variables aleatorias de Nakagami (utilizadas para modelar el desvanecimiento en canales de comunicaciones móviles) basado en "rejection sampling".

Comparison of different MIMO antenna arrays and user's effect on their performances

Multiple-input multiple-output (MIMO) systems have entailed a great enhancement in wireless communications performances. The use of multiple antennas at each side of the radio link has been included in recent drafts and standards such as WLAN, WIMAX, or DVB-T2. The MIMO performances depend on the antenna array characteristics and thus several aspects have to be taken into account to design MIMO antennas. In the literature, many articles can be found in terms of capacity or antenna design, but in this article, different types of antenna arrays for MIMO systems are measured in a reverberation chamber with and without a phantom as a user's head. As a result, the MIMO performances are degraded by the user in terms of efficiency, diversity gain, and capacity. Omnidirectional antennas such as monopoles with high radiation efficiency offer the highest performance for a rich scattering nonline of sight indoor environment.

PUE attack detection in CWSNs using anomaly detection techniques

Cognitive wireless sensor network (CWSN) is a new paradigm, integrating cognitive features in traditional wireless sensor networks (WSNs) to mitigate important problems such as spectrum occupancy. Security in cognitive wireless sensor networks is an important problem since these kinds of networks manage critical applications and data. The specific constraints of WSN make the problem even more critical, and effective solutions have not yet been implemented. Primary user emulation (PUE) attack is the most studied specific attack deriving from new cognitive features. This work discusses a new approach, based on anomaly behavior detection and collaboration, to detect the primary user emulation attack in CWSN scenarios. Two non-parametric algorithms, suitable for low-resource networks like CWSNs, have been used in this work: the cumulative sum and data clustering algorithms. The comparison is based on some characteristics such as detection delay, learning time, scalability, resources, and scenario dependency. The algorithms have been tested using a cognitive simulator that provides important results in this area. Both algorithms have shown to be valid in order to detect PUE attacks, reaching a detection rate of 99% and less than 1% of false positives using collaboration.

Transmitter-side antennas correlation in SVD-assisted MIMO systems

MIMO techniques allow increasing wireless channel performance by decreasing the BER and increasing the channel throughput and in consequence are included in current mobile communication standards. MIMO techniques are based on benefiting the existence of multipath in wireless communications and the application of appropriate signal processing techniques. The singular value decomposition (SVD) is a popular signal processing technique which, based on the perfect channel state information (PCSI) knowledge at both the transmitter and receiver sides, removes inter-antenna interferences and improves channel performance. Nevertheless, the proximity of the multiple antennas at each front-end produces the so called antennas correlation effect due to the similarity of the various physical paths. In consequence, antennas correlation drops the MIMO channel performance. This investigation focuses on the analysis of a MIMO channel under transmitter-side antennas correlation conditions. First, antennas correlation is analyzed and characterized by the correlation coefficients. The analysis describes the relation between antennas correlation and the appearance of predominant layers which significantly affect the channel performance. Then, based on the SVD, pre- and post-processing is applied to remove inter-antenna interferences. Finally, bit- and power allocation strategies are applied to reach the best performance. The resulting BER reveals that antennas correlation effect diminishes the channel performance and that not necessarily all MIMO layers must be activated to obtain the best performance.

Contribución a la caracterización espacial de canales con sistemas MIMO-OFDM en la banda de 2,45 Ghz

La tecnología de múltiples antenas ha evolucionado para dar soporte a los actuales y futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas en su afán por proporcionar la calidad de señal y las altas tasas de transmisión que demandan los nuevos servicios de voz, datos y multimedia. Sin embargo, es fundamental comprender las características espaciales del canal radio, ya que son las características del propio canal lo que limita en gran medida las prestaciones de los sistemas de comunicación actuales. Por ello surge la necesidad de estudiar la estructura espacial del canal de propagación para poder diseñar, evaluar e implementar de forma más eficiente tecnologías multiantena en los actuales y futuros sistemas de comunicación inalámbrica. Las tecnologías multiantena denominadas antenas inteligentes y MIMO han generado un gran interés en el área de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo los sistemas de telefonía celular o más recientemente en las redes WLAN (Wireless Local Area Network), principalmente por la mejora que proporcionan en la calidad de las señales y en la tasa de transmisión de datos, respectivamente. Las ventajas de estas tecnologías se fundamentan en el uso de la dimensión espacial para obtener ganancia por diversidad espacial, como ya sucediera con las tecnologías FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access) y CDMA (Code Division Multiplexing Access) para obtener diversidad en las dimensiones de frecuencia, tiempo y código, respectivamente. Esta Tesis se centra en estudiar las características espaciales del canal con sistemas de múltiples antenas mediante la estimación de los perfiles de ángulos de llegada (DoA, Direction-of- Arrival) considerando esquemas de diversidad en espacio, polarización y frecuencia. Como primer paso se realiza una revisión de los sistemas con antenas inteligentes y los sistemas MIMO, describiendo con detalle la base matemática que sustenta las prestaciones ofrecidas por estos sistemas. Posteriormente se aportan distintos estudios sobre la estimación de los perfiles de DoA de canales radio con sistemas multiantena evaluando distintos aspectos de antenas, algoritmos de estimación, esquemas de polarización, campo lejano y campo cercano de las fuentes. Así mismo, se presenta un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,45 Ghz, el cual está preparado para caracterizar experimentalmente el rendimiento de los sistemas MIMO, y para caracterizar espacialmente canales de propagación, considerando los esquemas de diversidad espacial, por polarización y frecuencia. Los estudios aportados se describen a continuación. Los sistemas de antenas inteligentes dependen en gran medida de la posición de los usuarios. Estos sistemas están equipados con arrays de antenas, los cuales aportan la diversidad espacial necesaria para obtener una representación espacial fidedigna del canal radio a través de los perfiles de DoA (DoA, Direction-of-Arrival) y por tanto, la posición de las fuentes de señal. Sin embargo, los errores de fabricación de arrays así como ciertos parámetros de señal conlleva un efecto negativo en las prestaciones de estos sistemas. Por ello se plantea un modelo de señal parametrizado que permite estudiar la influencia que tienen estos factores sobre los errores de estimación de DoA, tanto en acimut como en elevación, utilizando los algoritmos de estimación de DOA más conocidos en la literatura. A partir de las curvas de error, se pueden obtener parámetros de diseño para sistemas de localización basados en arrays. En un segundo estudio se evalúan esquemas de diversidad por polarización con los sistemas multiantena para mejorar la estimación de los perfiles de DoA en canales que presentan pérdidas por despolarización. Para ello se desarrolla un modelo de señal en array con sensibilidad de polarización que toma en cuenta el campo electromagnético de ondas planas. Se realizan simulaciones MC del modelo para estudiar el efecto de la orientación de la polarización como el número de polarizaciones usadas en el transmisor como en el receptor sobre la precisión en la estimación de los perfiles de DoA observados en el receptor. Además, se presentan los perfiles DoA obtenidos en escenarios quasiestáticos de interior con un prototipo de medida MIMO 4x4 de banda estrecha en la banda de 2,45 GHz, los cuales muestran gran fidelidad con el escenario real. Para la obtención de los perfiles DoA se propone un método basado en arrays virtuales, validado con los datos de simulación y los datos experimentales. Con relación a la localización 3D de fuentes en campo cercano (zona de Fresnel), se presenta un tercer estudio para obtener con gran exactitud la estructura espacial del canal de propagación en entornos de interior controlados (en cámara anecóica) utilizando arrays virtuales. El estudio analiza la influencia del tamaño del array y el diagrama de radiación en la estimación de los parámetros de localización proponiendo, para ello, un modelo de señal basado en un vector de enfoque de onda esférico (SWSV). Al aumentar el número de antenas del array se consigue reducir el error RMS de estimación y mejorar sustancialmente la representación espacial del canal. La estimación de los parámetros de localización se lleva a cabo con un nuevo método de búsqueda multinivel adaptativo, propuesto con el fin de reducir drásticamente el tiempo de procesado que demandan otros algoritmos multivariable basados en subespacios, como el MUSIC, a costa de incrementar los requisitos de memoria. Las simulaciones del modelo arrojan resultados que son validados con resultados experimentales y comparados con el límite de Cramer Rao en términos del error cuadrático medio. La compensación del diagrama de radiación acerca sustancialmente la exactitud de estimación de la distancia al límite de Cramer Rao. Finalmente, es igual de importante la evaluación teórica como experimental de las prestaciones de los sistemas MIMO-OFDM. Por ello, se presenta el diseño e implementación de un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D autocalibrado con sistema de posicionamiento de antena automático en la banda de 2,45 Ghz con capacidad para evaluar la capacidad de los sistemas MIMO. Además, tiene la capacidad de caracterizar espacialmente canales MIMO, incorporando para ello una etapa de autocalibración para medir la respuesta en frecuencia de los transmisores y receptores de RF, y así poder caracterizar la respuesta de fase del canal con mayor precisión. Este sistema incorpora un posicionador de antena automático 3D (SPAA3D) basado en un scanner con 3 brazos mecánicos sobre los que se desplaza un posicionador de antena de forma independiente, controlado desde un PC. Este posicionador permite obtener una gran cantidad de mediciones del canal en regiones locales, lo cual favorece la caracterización estadística de los parámetros del sistema MIMO. Con este prototipo se realizan varias campañas de medida para evaluar el canal MIMO en términos de capacidad comparando 2 esquemas de polarización y tomando en cuenta la diversidad en frecuencia aportada por la modulación OFDM en distintos escenarios. ABSTRACT Multiple-antennas technologies have been evolved to be the support of the actual and future wireless communication systems in its way to provide the high quality and high data rates required by new data, voice and data services. However, it is important to understand the behavior of the spatial characteristics of the radio channel, since the channel by itself limits the performance of the actual wireless communications systems. This drawback raises the need to understand the spatial structure of the propagation channel in order to design, assess, and develop more efficient multiantenna technologies for the actual and future wireless communications systems. Multiantenna technologies such as ‘Smart Antennas’ and MIMO systems have generated great interest in the field of wireless communications, i.e. cellular communications systems and more recently WLAN (Wireless Local Area Networks), mainly because the higher quality and the high data rate they are able to provide. Their technological benefits are based on the exploitation of the spatial diversity provided by the use of multiple antennas as happened in the past with some multiaccess technologies such as FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access), and CDMA (Code Division Multiplexing Access), which give diversity in the domains of frequency, time and code, respectively. This Thesis is mainly focus to study the spatial channel characteristics using schemes of multiple antennas considering several diversity schemes such as space, polarization, and frequency. The spatial characteristics will be study in terms of the direction-of-arrival profiles viewed at the receiver side of the radio link. The first step is to do a review of the smart antennas and MIMO systems technologies highlighting their advantages and drawbacks from a mathematical point of view. In the second step, a set of studies concerning the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles are addressed. The performance of several DoA estimation methods is assessed considering several aspects regarding antenna array structure, polarization diversity, and far-field and near-field conditions. Most of the results of these studies come from simulations of data models and measurements with real multiantena prototypes. In the same way, having understand the importance of validate the theoretical data models with experimental results, a 2,4 GHz MIMO-OFDM-SPAA2D prototype is presented. This prototype is intended for evaluating MIMO-OFDM capacity in indoor and outdoor scenarios, characterize the spatial structure of radio channels, assess several diversity schemes such as polarization, space, and frequency diversity, among others aspects. The studies reported are briefly described below. As is stated in Chapter two, the determination of user position is a fundamental task to be resolved for the smart antenna systems. As these systems are equipped with antenna arrays, they can provide the enough spatial diversity to accurately draw the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles, and therefore the source location. However, certain real implementation factors related to antenna errors, signals, and receivers will certainly reduce the performance of such direction finding systems. In that sense, a parameterized narrowband signal model is proposed to evaluate the influence of these factors in the location parameter estimation through extensive MC simulations. The results obtained from several DoA algorithms may be useful to extract some parameter design for directing finding systems based on arrays. The second study goes through the importance that polarization schemes can have for estimating far-field DoA profiles in radio channels, particularly for scenarios that may introduce polarization losses. For this purpose, a narrowband signal model with polarization sensibility is developed to conduct an analysis of several polarization schemes at transmitter (TX) and receiver (RX) through extensive MC simulations. In addition, spatial characterization of quasistatic indoor scenarios is also carried out using a 2.45 GHz MIMO prototype equipped with single and dual-polarized antennas. A good agreement between the measured DoA profiles with the propagation scenario is achieved. The theoretical and experimental evaluation of polarization schemes is performed using virtual arrays. In that case, a DoA estimation method is proposed based on adding an phase reference to properly track the DoA, which shows good results. In the third study, the special case of near-field source localization with virtual arrays is addressed. Most of DoA estimation algorithms are focused in far-field source localization where the radiated wavefronts are assume to be planar waves at the receive array. However, when source are located close to the array, the assumption of plane waves is no longer valid as the wavefronts exhibit a spherical behavior along the array. Thus, a faster and effective method of azimuth, elevation angles-of-arrival, and range estimation for near-field sources is proposed. The efficacy of the proposed method is evaluated with simulation and validated with measurements collected from a measurement campaign carried out in a controlled propagation environment, i.e. anechoic chamber. Moreover, the performance of the method is assessed in terms of the RMSE for several array sizes, several source positions, and taking into account the effect of radiation pattern. In general, better results are obtained with larger array and larger source distances. The effect of the antennas is included in the data model leading to more accurate results, particularly for range rather than for angle estimation. Moreover, a new multivariable searching method based on the MUSIC algorithm, called MUSA (multilevel MUSIC-based algorithm), is presented. This method is proposed to estimate the 3D location parameters in a faster way than other multivariable algorithms, such as MUSIC algorithm, at the cost of increasing the memory size. Finally, in the last chapter, a MIMO-OFDM-SPAA3D prototype is presented to experimentally evaluate different MIMO schemes regarding antennas, polarization, and frequency in different indoor and outdoor scenarios. The prototype has been developed on a Software-Defined Radio (SDR) platform. It allows taking measurements where future wireless systems will be developed. The novelty of this prototype is concerning the following 2 subsystems. The first one is the tridimensional (3D) antenna positioning system (SPAA3D) based on three linear scanners which is developed for making automatic testing possible reducing errors of the antenna array positioning. A set of software has been developed for research works such as MIMO channel characterization, MIMO capacity, OFDM synchronization, and so on. The second subsystem is the RF autocalibration module at the TX and RX. This subsystem allows to properly tracking the spatial structure of indoor and outdoor channels in terms of DoA profiles. Some results are draw regarding performance of MIMO-OFDM systems with different polarization schemes and different propagation environments.

Analysis and design of reconfigurable multimode multiport microstrip antennas for mimo systems and diversity schemes

Las comunicaciones inalámbricas han transformado profundamente la forma en la que la gente se comunica en el día a día y es, sin lugar a dudas, una de las tecnologías de nuestro tiempo que más rápidamente evoluciona. Este rápido crecimiento implica retos enormes en la tecnología subyacente, debido y entre otros motivos, a la gran demanda de capacidad de los nuevos servicios inalámbricos. Los sistemas Multiple Input Multiple Output (MIMO) han despertado mucho interés como medio de mejorar el rendimiento global del sistema, satisfaciendo de este modo y en cierta medida los nuevo requisitos exigidos. De hecho, el papel relevante de esta tecnología en los actuales esfuerzos de estandarización internacionales pone de manifiesto esta utilidad. Los sistemas MIMO sacan provecho de los grados de libertad espaciales, disponibles a través del entorno multitrayecto, para mejorar el rendimiento de la comunicación con una destacable eficiencia espectral. Con el fin de alcanzar esta mejora en el rendimiento, la diversidad espacial y por diagrama han sido empleadas tradicionalmente para reducir la correlación entre los elementos radiantes, ya que una correlación baja es condición necesaria, si bien no suficiente, para dicha mejora. Tomando como referencia, o punto de partida, las técnicas empleadas para obtener diversidad por diagrama, esta tesis doctoral surge de la búsqueda de la obtención de diversidad por diagrama y/o multiplexación espacial a través del comportamiento multimodal de la antena microstrip, proponiendo para ello un modelo cuasi analítico original para el análisis y diseño de antenas microstrip multipuerto, multimodo y reconfigurables. Este novedoso enfoque en este campo, en vez de recurrir a simulaciones de onda completa por medio de herramientas comerciales tal y como se emplea en las publicaciones existentes, reduce significativamente el esfuerzo global de análisis y diseño, en este último caso por medio de guías de diseño generales. Con el fin de lograr el objetivo planteado y después de una revisión de los principales conceptos de los sistemas MIMO que se emplearán más adelante, se fija la atención en encontrar, implementar y verificar la corrección y exactitud de un modelo analítico que sirva de base sobre la cual añadir las mejoras necesarias para obtener las características buscadas del modelo cuasi analítico propuesto. Posteriormente y partiendo del modelo analítico base seleccionado, se exploran en profundidad y en diferentes entornos multitrayecto, las posibilidades en cuanto a rendimiento se refiere de diversidad por diagrama y multiplexación espacial, proporcionadas por el comportamiento multimodal de las antenas parche microstrip sin cargar. Puesto que cada modo de la cavidad tiene su propia frecuencia de resonancia, es necesario encontrar formas de desplazar la frecuencia de resonancia de cada modo empleado para ubicarlas en la misma banda de frecuencia, manteniendo cada modo al mismo tiempo tan independiente como sea posible. Este objetivo puede lograrse cargando adecuadamente la cavidad con cargas reactivas, o alterando la geometría del parche radiante. Por consiguiente, la atención en este punto se fija en el diseño, implementación y verificación de un modelo cuasi analítico para el análisis de antenas parche microstrip multipuerto, multimodo y cargadas que permita llevar a cabo la tarea indicada, el cuál es una de las contribuciones principales de esta tesis doctoral. Finalmente y basándose en el conocimiento adquirido a través del modelo cuasi analítico, se proporcionan y aplican guías generales para el diseño de antenas microstrip multipuerto, multimodo y reconfigurables para sistemas MIMO, con el fin de mejorar su diversidad por diagrama y/o su capacidad por medio del comportamiento multimodal de las antenas parche microstrip. Se debe destacar que el trabajo presentado en esta tesis doctoral ha dado lugar a una publicación en una revista técnica internacional de un alto factor de impacto. De igual manera, el trabajo también ha sido presentado en algunas de las más importantes conferencias internacionales en el ámbito de las antenas ABSTRACT Wireless communications have deeply transformed the way people communicate on daily basis and it is undoubtedly one of the most rapidly evolving technologies of our time. This fast growing behaviour involves huge challenges on the bearing technology, due to and among others reasons, the high demanding capacity of new wireless services. MIMO systems have given rise to considerable interest as a means to enhance the overall system performance, thus satisfying somehow the new demanding requirements. Indeed, the significant role of this technology on current international standardization efforts, highlights this usefulness. MIMO systems make profit from the spatial degrees of freedom available through the multipath scenario to improve the communication performance with a remarkable spectral efficiency. In order to achieve this performance improvement, spatial and pattern diversity have been traditionally used to decrease the correlation between antenna elements, as low correlation is a necessary but not sufficient condition. Taking as a reference, or starting point, the techniques used to achieve pattern diversity, this Philosophiae Doctor (Ph.D.) arises from the pursuit of obtaining pattern diversity and/or spatial multiplexing capabilities through the multimode microstrip behaviour, thus proposing a novel quasi analytical model for the analysis and design of reconfigurable multimode multiport microstrip antennas. This innovative approach on this field, instead of resorting to full-wave simulations through commercial tools as done in the available publications, significantly reduces the overall analysis and design effort, in this last case through comprehensive design guidelines. In order to achieve this goal and after a review of the main concepts of MIMO systems which will be followed used, the spotlight is fixed on finding, implementing and verifying the correctness and accuracy of a base quasi analytical model over which add the necessary enhancements to obtain the sought features of the quasi analytical model proposed. Afterwards and starting from the base quasi analytical model selected, the pattern diversity and spatial multiplexing performance capabilities provided by the multimode behaviour of unloaded microstrip patch antennas under different multipath environments are fully explored. As each cavity mode has its own resonant frequency, it is required to find ways to displace the resonant frequency of each used mode to place them at the same frequency band while keeping each mode as independent as possible. This objective can be accomplished with an appropriate loading of the cavity with reactive loads, or through the alteration of the geometry of the radiation patch. Thus, the focus is set at this point on the design, implementation and verification of a quasi analytical model for the analysis of loaded multimode multiport microstrip patch antennas to carry out the aforementioned task, which is one of the main contributions of this Ph.D. Finally and based on the knowledge acquired through the quasi analytical model, comprehensive guidelines to design reconfigurable multimode MIMO microstrip antennas to improve the spatial multiplexing and/or diversity system performance by means of the multimode microstrip patch antenna behaviour are given and applied. It shall be highlighted that the work presented in this Ph.D. has given rise to a publication in an international technical journal of high impact factor. Moreover, the work has also been presented at some of the most important international conferences in antenna area.

Contribución a la localización en interiores basada en comunicaciones inalámbricas

Determinar con buena precisión la posición en la que se encuentra un terminal móvil, cuando éste se halla inmerso en un entorno de interior (centros comerciales, edificios de oficinas, aeropuertos, estaciones, túneles, etc), es el pilar básico sobre el que se sustentan un gran número de aplicaciones y servicios. Muchos de esos servicios se encuentran ya disponibles en entornos de exterior, aunque los entornos de interior se prestan a otros servicios específicos para ellos. Ese número, sin embargo, podría ser significativamente mayor de lo que actualmente es, si no fuera necesaria una costosa infraestructura para llevar a cabo el posicionamiento con la precisión adecuada a cada uno de los hipotéticos servicios. O, igualmente, si la citada infraestructura pudiera tener otros usos distintos, además del relacionado con el posicionamiento. La usabilidad de la misma infraestructura para otros fines distintos ofrecería la oportunidad de que la misma estuviera ya presente en las diferentes localizaciones, porque ha sido previamente desplegada para esos otros usos; o bien facilitaría su despliegue, porque el coste de esa operación ofreciera un mayor retorno de usabilidad para quien lo realiza. Las tecnologías inalámbricas de comunicaciones basadas en radiofrecuencia, ya en uso para las comunicaciones de voz y datos (móviles, WLAN, etc), cumplen el requisito anteriormente indicado y, por tanto, facilitarían el crecimiento de las aplicaciones y servicios basados en el posicionamiento, en el caso de poderse emplear para ello. Sin embargo, determinar la posición con el nivel de precisión adecuado mediante el uso de estas tecnologías, es un importante reto hoy en día. El presente trabajo pretende aportar avances significativos en este campo. A lo largo del mismo se llevará a cabo, en primer lugar, un estudio de los principales algoritmos y técnicas auxiliares de posicionamiento aplicables en entornos de interior. La revisión se centrará en aquellos que sean aptos tanto para tecnologías móviles de última generación como para entornos WLAN. Con ello, se pretende poner de relieve las ventajas e inconvenientes de cada uno de estos algoritmos, teniendo como motivación final su aplicabilidad tanto al mundo de las redes móviles 3G y 4G (en especial a las femtoceldas y small-cells LTE) como al indicado entorno WLAN; y teniendo siempre presente que el objetivo último es que vayan a ser usados en interiores. La principal conclusión de esa revisión es que las técnicas de triangulación, comúnmente empleadas para realizar la localización en entornos de exterior, se muestran inútiles en los entornos de interior, debido a efectos adversos propios de este tipo de entornos como la pérdida de visión directa o los caminos múltiples en el recorrido de la señal. Los métodos de huella radioeléctrica, más conocidos bajo el término inglés “fingerprinting”, que se basan en la comparación de los valores de potencia de señal que se están recibiendo en el momento de llevar a cabo el posicionamiento por un terminal móvil, frente a los valores registrados en un mapa radio de potencias, elaborado durante una fase inicial de calibración, aparecen como los mejores de entre los posibles para los escenarios de interior. Sin embargo, estos sistemas se ven también afectados por otros problemas, como por ejemplo los importantes trabajos a realizar para ponerlos en marcha, y la variabilidad del canal. Frente a ellos, en el presente trabajo se presentan dos contribuciones originales para mejorar los sistemas basados en los métodos fingerprinting. La primera de esas contribuciones describe un método para determinar, de manera sencilla, las características básicas del sistema a nivel del número de muestras necesarias para crear el mapa radio de la huella radioeléctrica de referencia, junto al número mínimo de emisores de radiofrecuencia que habrá que desplegar; todo ello, a partir de unos requerimientos iniciales relacionados con el error y la precisión buscados en el posicionamiento a realizar, a los que uniremos los datos correspondientes a las dimensiones y realidad física del entorno. De esa forma, se establecen unas pautas iniciales a la hora de dimensionar el sistema, y se combaten los efectos negativos que, sobre el coste o el rendimiento del sistema en su conjunto, son debidos a un despliegue ineficiente de los emisores de radiofrecuencia y de los puntos de captura de su huella. La segunda contribución incrementa la precisión resultante del sistema en tiempo real, gracias a una técnica de recalibración automática del mapa radio de potencias. Esta técnica tiene en cuenta las medidas reportadas continuamente por unos pocos puntos de referencia estáticos, estratégicamente distribuidos en el entorno, para recalcular y actualizar las potencias registradas en el mapa radio. Un beneficio adicional a nivel operativo de la citada técnica, es la prolongación del tiempo de usabilidad fiable del sistema, bajando la frecuencia en la que se requiere volver a capturar el mapa radio de potencias completo. Las mejoras anteriormente citadas serán de aplicación directa en la mejora de los mecanismos de posicionamiento en interiores basados en la infraestructura inalámbrica de comunicaciones de voz y datos. A partir de ahí, esa mejora será extensible y de aplicabilidad sobre los servicios de localización (conocimiento personal del lugar donde uno mismo se encuentra), monitorización (conocimiento por terceros del citado lugar) y seguimiento (monitorización prolongada en el tiempo), ya que todos ellas toman como base un correcto posicionamiento para un adecuado desempeño. ABSTRACT To find the position where a mobile is located with good accuracy, when it is immersed in an indoor environment (shopping centers, office buildings, airports, stations, tunnels, etc.), is the cornerstone on which a large number of applications and services are supported. Many of these services are already available in outdoor environments, although the indoor environments are suitable for other services that are specific for it. That number, however, could be significantly higher than now, if an expensive infrastructure were not required to perform the positioning service with adequate precision, for each one of the hypothetical services. Or, equally, whether that infrastructure may have other different uses beyond the ones associated with positioning. The usability of the same infrastructure for purposes other than positioning could give the opportunity of having it already available in the different locations, because it was previously deployed for these other uses; or facilitate its deployment, because the cost of that operation would offer a higher return on usability for the deployer. Wireless technologies based on radio communications, already in use for voice and data communications (mobile, WLAN, etc), meet the requirement of additional usability and, therefore, could facilitate the growth of applications and services based on positioning, in the case of being able to use it. However, determining the position with the appropriate degree of accuracy using these technologies is a major challenge today. This paper provides significant advances in this field. Along this work, a study about the main algorithms and auxiliar techniques related with indoor positioning will be initially carried out. The review will be focused in those that are suitable to be used with both last generation mobile technologies and WLAN environments. By doing this, it is tried to highlight the advantages and disadvantages of each one of these algorithms, having as final motivation their applicability both in the world of 3G and 4G mobile networks (especially in femtocells and small-cells of LTE) and in the WLAN world; and having always in mind that the final aim is to use it in indoor environments. The main conclusion of that review is that triangulation techniques, commonly used for localization in outdoor environments, are useless in indoor environments due to adverse effects of such environments as loss of sight or multipaths. Triangulation techniques used for external locations are useless due to adverse effects like the lack of line of sight or multipath. Fingerprinting methods, based on the comparison of Received Signal Strength values measured by the mobile phone with a radio map of RSSI Recorded during the calibration phase, arise as the best methods for indoor scenarios. However, these systems are also affected by other problems, for example the important load of tasks to be done to have the system ready to work, and the variability of the channel. In front of them, in this paper we present two original contributions to improve the fingerprinting methods based systems. The first one of these contributions describes a method for find, in a simple way, the basic characteristics of the system at the level of the number of samples needed to create the radio map inside the referenced fingerprint, and also by the minimum number of radio frequency emitters that are needed to be deployed; and both of them coming from some initial requirements for the system related to the error and accuracy in positioning wanted to have, which it will be joined the data corresponding to the dimensions and physical reality of the environment. Thus, some initial guidelines when dimensioning the system will be in place, and the negative effects into the cost or into the performance of the whole system, due to an inefficient deployment of the radio frequency emitters and of the radio map capture points, will be minimized. The second contribution increases the resulting accuracy of the system when working in real time, thanks to a technique of automatic recalibration of the power measurements stored in the radio map. This technique takes into account the continuous measures reported by a few static reference points, strategically distributed in the environment, to recalculate and update the measurements stored into the map radio. An additional benefit at operational level of such technique, is the extension of the reliable time of the system, decreasing the periodicity required to recapture the radio map within full measurements. The above mentioned improvements are directly applicable to improve indoor positioning mechanisms based on voice and data wireless communications infrastructure. From there, that improvement will be also extensible and applicable to location services (personal knowledge of the location where oneself is), monitoring (knowledge by other people of your location) and monitoring (prolonged monitoring over time) as all of them are based in a correct positioning for proper performance.