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.

Optimización del multiplex de televisión

Este proyecto versa sobre un modelo de evaluación de calidad de imagen aplicado a la optimización del ancho de banda del multiplex de televisión, mediante la realización de ensayos con distintas configuraciones de cabecera. Dicho modelo se basa en las medidas PQR y DMOS de Tektronix, destinadas a medir la percepción de las diferencias entre una secuencia antes y después de sufrir un procesado digital. Dado que actualmente, el modo de trabajo de una cabecera de televisión digital, es la multiplexación estadística (consistente en la codificación de diferentes servicios de vídeo con anchos de banda variables en función de la complejidad de las señales), las medidas estarán enfocadas a sacar conclusiones acerca de la cantidad de canales, complejidad de contenidos, y organización de los mismos en el ancho de banda disponible para emitir, manteniendo niveles de calidad Broadcast. Las medidas serán aplicadas en el proyecto para comparar el rendimiento de dos modelos de cabecera. En primer lugar serán configuradas en régimen binario constante, comparando el rendimiento de los codificadores en el área de trabajo habitual. Posteriormente se configuraran en régimen binario variable probando múltiples configuraciones, con el objetivo dar con el modelo y configuración óptima para su posterior implementación. ABSTRACT. This project concerns a picture quality assessment model applied to television multiplex bandwidth optimization by conducting test with different headend settings. This model is based on the PQR and DMOS Tektronix measures, designed to measure the differences between a sequence before and after a digital processing. Given that nowadays the working way of television headend is by statistical multiplexing (based on coding the different video services with variable bitrate depending on the complexity of the signals) measures will be focused to reach conclusions about the number of channels, complexity of content, and the way to organize them through the available bandwidth, keeping broadcast quality ratios. The measures will be applied comparing the performance of two headend models. First of all encoders will be set on constant bitrate, comparing the performance through the working bandwidth. Later on, both models will be set on variable bitrate testing multiple configurations, in order to find the optimal model/configuration for later implementation.

Red SFN de distribución local de TDT

Este proyecto consiste en el diseño completo, de una red de distribución de TDT, a nivel local, mediante difusión SFN, Single Frequency Network. Este tipo de difusión, tiene la capacidad de difundir los servicios de televisión en una única frecuencia, cubriendo un área, ya sea local o estatal, aprovechando en las zonas de interferencia los rebotes de la señal y así evitar el uso de una frecuencia distinta por cada centro de emisión, todos los que componen un área de cobertura. Para el diseño de la red, se ha optado por diseñar una red IP, mediante distribución multicast, ya que esta es la tecnología imperante a día de hoy, quedando obsoleta ya, la distribución analógica, ya que consume muchos más recursos y por consiguiente mucho más costosa de implementar. El documento se divide en cuatro capítulos. En el primer capítulo se realizará una introducción teórica a las redes de distribución SFN, centrándose en el cálculo de los retardos, punto fundamental en el diseño de este tipo de redes. Se continuará unas nociones básicas de redes IP y el protocolo multicast, en el que se basa el trasporte de la señal. El capítulo dos, se centra en el diseño de la red, desde los centros de producción, donde se generan los programas a emitir, hasta los diferentes centros de difusión que cubrirán todo el área de cobertura requerida, pasando por el centro de multiplexación, donde se sitúa la cabecera que compondrá el múltiplex a difundir. Se describirán los equipos y el diseño de los distintos centros que conforman la red, centros de producción, multiplexación y difusión. A demás se realizará el cálculo de retardo de la señal, necesario en este tipo de redes. Se continuará con el capítulo tres, donde se describirá la configuración de la red, tanto a nivel de equipamiento, como el diseño y asignación IP de toda la red, separando la red de servicio de la red de gestión para una mayor confiabilidad y eficiencia de la red. Se finalizará con la descripción de la gestión de la red, que mediante diferentes herramientas, proporcionan un monitoreado en tiempo real de todo el sistema, dando la posibilidad de adelantarsey previniendo posibles incidencias que, puedan causar alguna deficiencia en el servicio que se entrega al usuario final. ABSTRACT. This project involves the complete design of a network´s TDT distribution, locally, by broadcast SFN (Single Frequency Network). This type of broadcast, has the ability to broadcast television´s services on a single frequency, covering an area, whether local or state, drawing on the interference zones, signal´s rebounds, to avoid the use of a different frequency each broadcast center, all those who make a coverage area. For the design of the network, has been chosen to design an IP network using multicast distribution, since this is the prevailing technology today, as the analogue distribution, consumes more resources and therefore, much more costly to implement. The document is divided into four chapters. In the first chapter you can find a theoretical introduction to SFN distribution networks, focusing on the calculation of delays, fundamental point, in the design of these networks. A basic understanding of IP networks and the multicast protocol, in which the transport of the signal is based, will continue. Chapter two focuses on the design of the network, from production centers, where the programs are created to broadcast, to different distribution centers covering the entire area of coverage required, through the multiplexing center, where the head is located, which comprise the multiplex. Also, the equipment and design of the various centers in the network, production centers, multiplexing center and distribution centers, are described. Furthermore, the calculation of signal delay, necessary in such networks, is performed. We will continue with the chapter three, where the network configuration will be described, both in termsofequipment, such as design IP mapping of the entire network, separating the service network and management network, for increased the reliability and efficiency of the network. It will be completed with the description of the management of the network, using different tools provide real-time monitoring of the entire system, making it possible, to anticipate and prevent any incidents that might cause a deficiency in the service being delivered to final user.