Electromagnetic Instability Studies in Fusion Plasmas Edge

Este trabajo esta dedicado al estudio de las estructuras macroscópicas conocidas en la literatura como filamentos o blobs que han sido observadas de manera universal en el borde de todo tipo de dispositivos de fusión por confinamiento magnético. Estos filamentos, celdas convectivas elongadas a lo largo de las líneas de campo que surgen en el plasma fuertemente turbulento que existe en este tipo de dispositivos, parecen dominar el transporte radial de partículas y energía en la región conocida como Scrape-off Layer, en la que las líneas de campo dejan de estar cerradas y el plasma es dirigido hacia la pared sólida que forma la cámara de vacío. Aunque el comportamiento y las leyes de escala de estas estructuras son relativamente bien conocidos, no existe aún una teoría generalmente aceptada acerca del mecanismo físico responsable de su formación, que constituye una de las principales incógnitas de la teoría de transporte del borde en plasmas de fusión y una cuestión de gran importancia práctica en el desarrollo de la siguiente generación de reactores de fusión (incluyendo dispositivos como ITER y DEMO), puesto que la eficiencia del confinamiento y la cantidad de energía depositadas en la pared dependen directamente de las características del transporte en el borde. El trabajo ha sido realizado desde una perspectiva eminentemente experimental, incluyendo la observación y el análisis de este tipo de estructuras en el stellarator tipo heliotrón LHD (un dispositivo de gran tamaño, capaz de generar plasmas de características cercanas a las necesarias en un reactor de fusión) y en el stellarator tipo heliac TJ-II (un dispositivo de medio tamaño, capaz de generar plasmas relativamente más fríos pero con una accesibilidad y disponibilidad de diagnósticos mayor). En particular, en LHD se observó la generación de filamentos durante las descargas realizadas en configuración de alta _ (alta presión cinética frente a magnética) mediante una cámara visible ultrarrápida, se caracterizó su comportamiento y se investigó, mediante el análisis estadístico y la comparación con modelos teóricos, el posible papel de la Criticalidad Autoorganizada en la formación de este tipo de estructuras. En TJ-II se diseñó y construyó una cabeza de sonda capaz de medir simultáneamente las fluctuaciones electrostáticas y electromagnéticas del plasma. Gracias a este nuevo diagnóstico se pudieron realizar experimentos con el fin de determinar la presencia de corriente paralela a través de los filamentos (un parámetro de gran importancia en su modelización) y relacionar los dos tipos de fluctuaciones por primera vez en un stellarator. Así mismo, también por primera vez en este tipo de dispositivo, fue posible realizar mediciones simultáneas de los tensores viscoso y magnético (Reynolds y Maxwell) de transporte de cantidad de movimiento. ABSTRACT This work has been devoted to the study of the macroscopic structures known in the literature as filaments or blobs, which have been observed universally in the edge of all kind of magnetic confinement fusion devices. These filaments, convective cells stretching along the magnetic field lines, arise from the highly turbulent plasma present in this kind of machines and seem to dominate radial transport of particles and energy in the region known as Scrapeoff Layer, in which field lines become open and plasma is directed towards the solid wall of the vacuum vessel. Although the behavior and scale laws of these structures are relatively well known, there is no generally accepted theory about the physical mechanism involved in their formation yet, which remains one of the main unsolved questions in the fusion plasmas edge transport theory and a matter of great practical importance for the development of the next generation of fusion reactors (including ITER and DEMO), since efficiency of confinement and the energy deposition levels on the wall are directly dependent of the characteristics of edge transport. This work has been realized mainly from an experimental perspective, including the observation and analysis of this kind of structures in the heliotron stellarator LHD (a large device capable of generating reactor-relevant plasma conditions) and in the heliac stellarator TJ-II (a medium-sized device, capable of relatively colder plasmas, but with greater ease of access and diagnostics availability). In particular, in LHD, the generation of filaments during high _ discharges (with high kinetic to magnetic pressure ratio) was observed by means of an ultrafast visible camera, and the behavior of this structures was characterized. Finally, the potential role of Self-Organized Criticality in the generation of filaments was investigated. In TJ-II, a probe head capable of measuring simultaneously electrostatic and electromagnetic fluctuations in the plasma was designed and built. Thanks to this new diagnostic, experiments were carried out in order to determine the presence of parallel current through filaments (one of the most important parameters in their modelization) and to related electromagnetic (EM) and electrostatic (ES) fluctuations for the first time in an stellarator. As well, also for the first time in this kind of device, measurements of the viscous and magnetic momentum transfer tensors (Reynolds and Maxwell) were performed.

Quantifying pulsed laser induced damage to grapheme

As an emerging optical material, graphene’s ultrafast dynamics are often probed using pulsed lasers yet the region in which optical damage takes place is largely uncharted. Here, femtosecond laser pulses induced localized damage in single-layer graphene on sapphire. Raman spatial mapping, SEM, and AFM microscopy quantified the damage. The resulting size of the damaged area has a linear correlation with the optical fluence. These results demonstrate local modification of sp2-carbon bonding structures with optical pulse fluences as low as 14 mJ/cm2, an order-of-magnitude lower than measured and theoretical ablation thresholds.

Diseño y fabricación de dispositivos basados en cristal líquido polimérico

Esta tesis se centra en el estudio y desarrollo de dispositivos de aplicación basados en cristal líquido polimérico. Las propiedades de los cristales líquidos los hacen interesantes para su uso en el desarrollo de dispositivos de seguridad para autenticación de productos y marcas, y detección y prevención de falsificaciones. Asimismo, pueden ser muy útiles para fabricar dispositivos basados en CLs dispersos en polímero, los cuales tienen a su vez múltiples aplicaciones. La orientación de las moléculas de cristal líquido y la birrefringencia son las dos características principales que afectan a las propiedades de estos dispositivos. Un dispositivo de cristal líquido estándar consiste en un sándwich formado por dos sustratos de vidrio transparente, dotados con electrodo de ITO (Indium Tin Oxide) en su superficie interna, que confinan el cristal líquido en su interior. En la primera parte de esta tesis se describen las características más importantes que describen una célula de cristal líquido. Esta introducción básica en necesaria para la correcta comprensión de los capítulos posteriores en los que se detalla el desarrollo concreto de los dispositivos desarrollados en la investigación llevada a cabo. Por ejemplo, en el caso de los dispositivos de seguridad se han eliminado los sustratos de vidrio (en la última fase de su desarrollo) para conseguir dispositivos flexibles. En la segunda parte de la tesis se incluye la descripción completa de los dispositivos fabricados, así como de los protocolos de fabricación seguidos y diseñados específicamente para ello. También se detallan en esta parte los resultados obtenidos, así como las propiedades ópticas y electroópticas en cada caso, y el/los equipos de caracterización utilizados. Utilizando cristal líquido nemático y colorante dicroico, se han desarrollado dispositivos que contienen múltiples imágenes latentes en cada cara del mismo. Utilizando distintas técnicas de alineamiento se consigue crear cualquier tipo de motivo latente, ya sean símbolos sencillos, figuras, logotipos o incluso imágenes con escala de gris. Cuanto más complejo es el dispositivo, mayor es la dificultad para reproducirlo en una eventual falsificación. Para visualizar e identificar los motivos es necesario emplear luz polarizada, por ejemplo, con la ayuda de un sencillo polarizador lineal. Dependiendo de si el polarizador está colocado delante del dispositivo o detrás del él, se mostrarán las imágenes generadas en una u otra cara. Este efecto es posible gracias al colorante dicroico añadido al CL, a la orientación inducida sobre las moléculas, y a la estructura de twist utilizada en los dispositivos. En realidad, para ver el efecto de los dispositivos no es necesario el uso de un polarizador, basta con el reflejo de una superficie dielétrica (percialmente polarizado), o la luz emitida por la pantalla de dispositivos de consumo comunes como un televisor LCD, un monitor de ordenador o un “smartphone”. Por otro lado, utilizando una mezcla entre un CL nemático polimérico y un CL nemático no polimérico es posible fabricar dispositivos LCPC (Liquid Crystal Polymer Composite) con propiedades electroópticas muy interesantes, que funcionan a tensiones de conmutación bajas. El CL polimérico conforma una estructura de red en el interior del sándwich que mantiene confinado al CL nemático en pequeños microdominios. Se han fabricado dispositivos LCPC con conmutación inversa utilizando tanto alineamiento homogéneo como homeotrópico. Debido a que tanto la estructura de CL polimérico como el CL nemático que rellena los microdominios están orientados en una misma dirección de alineamiento preinducida, la luz dispersada por el dispositivo se encuentra polarizada. La dirección de polarización coincide con la dirección de alineamiento. La innovación aportada por esta investigación: un nuevo dispositivo LCPC inverso de respuesta ultrarápida y polarizada basado en la mezcla de dos CL nemáticos y, un dispositivo de seguridad y autenticación, patentado internacionalmente, basado en CL nemáticos dopados con colorante dicroico. Abstract This thesis is centered on the availability to use polymerizable liquid crystals to develop non-display application LC devices. Liquid crystal properties make them useful for the development of security devices in applications of authentication and detection of fakes, and also to achieve polymer dispersed LC devices to be used for different applications that will be studied here. Induced orientation of liquid crystal molecules and birefringence are the two main properties used in these devices. A standard liquid crystal device is a sandwich consisting of two parallel glass substrates carrying a thin transparent ITO (Indium‐Tin‐Oxide) electrode on their inner surfaces with the liquid crystal in the middle. The first part of this thesis will describe the most important parameters describing a liquid crystal cell. This basis is necessary for the understanding of later chapters where models of the liquid crystal devices will be discussed and developed. In the case of security devices the standard structure of an LC device has been modified by eliminating the glass substrates in order to achieve plastic and flexible devices. The second part of the thesis includes a detailed description of the devices achieved and the manufacturing protocols that have been developed ad-hoc. The optical and electrooptical properties and the characterization equipment are described here as well. Employing nematic liquid crystal and dichroic colorants, we have developed devices that show, with the aid of a polarizer, multiple images on each side of the device. By different alignment techniques it is possible to create any kind of symbols, drawings or motifs with a grayscale; the more complex the created device is, the more difficult is to fake it. To identify the motifs it is necessary to use polarized light. Depending on whether the polarizer is located in front of the LC cell or behind it, different motifs from one or the other substrate are shown. The effect arises from the dopant color dye added to the liquid crystal, the induced orientation and the twist structure. In practice, a grazing reflection on a dielectric surface is polarized enough to see the effect. Any LC flat panel display (LCD TV, computer, mobile phone) can obviously be used as backlight as well. On the other hand, by using a mixture of polymerizable and non-polymerizable nematics liquid crystals it is also possible to achieve LCPC (Liquid Crystal Polymer Composite) devices that show really interesting electrooptical characteristics using low switching voltages. Polymerizable LC creates a hollow structure inside the sandwich glass cell that keep nematics liquid crystal confined creating microdomains. Homogeneous and homeotropic alignments have been used to develop inverse switching mode LCPCs. Due to the double LC oriented structure, the outgoing scattered light from these devices is already polarized. The polarization axis coincides with LC molecules director, the alignment direction promoted. The novelties derived from the investigation presented here, new ultrafast inverse LCPC with polarized outgoing scattered light based on oriented nematic LC mixture, and an internationally patented security and authentication device based on nematics (doped with dichroic dye) oriented polymerizable LC.

Providing 30Mbit/s to Spain’s final third. -A techno-economic assessment.

Since the Digital Agenda for Europe released the Europe2020 flagship, Member States are looking for ways of fulfilling their agreed commitments to fast and ultrafast internet deployment. However, Europe is not a homogenous reality. The economic, geographic, social and demographic features of each country make it a highly diverse region to develop best practices over Next Generation Access Networks (NGAN) deployments. There are special concerns about NGAN deployments for “the final third”, as referred to the last 25% of the country’s population who, usually, live in rural areas. This paper assesses, through a techno-economic analysis, the access cost of providing over 30 Mbps broadband for the final third of Spain`s population in municipalities, which are classified into area types, referred to as geotypes. Fixed and mobile technologies are compared in order to determine which is the most cost-effective technology for each geotype. The demographic limit for fixed networks (cable, fibre and copper) is also discussed. The assessment focuses on the supply side and the results show the access network cost only. The research completes a previous published assessment (Techno-economic analysis of next generation access networks roll-out. The case of platform competition, regulation and public policy in Spain) by including the LTE scenario. The LTE scenario is dimensioned to provide 30 Mbps (best effort) broadband, considering a network take-up of 25%. The Rocket techno-economic model is used to assess a ten-year study period deployment. Nevertheless, the deployment must start in 2014 and be completed by 2020, in order to fulfil the Digital Agenda’s goals. The feasibility of the deployment is defined as the ability to recoup the investment at the end of the study period. This ability is highly related to network take-up and, therefore, to service adoption. Network deployment in each geotype is compared with the cost of the deployment in the Urban geotype and broadband expected penetration rates for clarity and simplicity. Debating the cost-effective deployments for each geotype, while addressing the Digital Agenda’s goals regarding fast and ultrafast internet, is the main purpose of this paper. At the end of the last year, the independent Spanish regulation agency released the Spain broadband coverage report at the first half of 2013. This document claimed that 59% and 52% of Spain’s population was already covered by NGAN capable of providing 30 Mbps and 100 Mbps broadband respectively. HFC, with 47% of population coverage, and FTTH, with 14%, were considered as a 100 Mbps capable NGAN. Meanwhile VDSL, with 12% of the population covered, was the only NGAN network considered for the 30 Mbps segment. Despite not being an NGAN, the 99% population coverage of HSPA networks was also noted in the report. Since mobile operators are also required to provide 30 Mbps broadband to 90% of the population in rural areas by the end of 2020, mobile networks will play a significant role on the achievement of the 30 Mbps goal in Spain’s final third. The assessment indicates the cost of the deployment per cumulative households coverage with 4 different NGANs: FTTH, HFC, VDSL and LTE. Research shows that an investment ranging from €2,700 (VDSL) to €5,400 (HFC) million will be needed to cover the first half of the population with any fixed technology assessed. The results state that at least €3,000 million will be required to cover these areas with the least expensive technology (LTE). However, if we consider the throughput that fixed networks could provide and achievement of the Digital Agenda’s objectives, fixed network deployments are recommended for up to 90% of the population. Fibre and cable deployments could cover up to a maximum of 88% of the Spanish population cost efficiently. As there are some concerns about the service adoption, we recommend VDSL and mobile network deployments for the final third of the population. Despite LTE being able to provide the most economical roll-out, VDSL could also provide 50 Mbps from 75% to 90% of the Spanish population cost efficiently. For this population gap, facility based competition between VDSL providers and LTE providers must be encouraged. Regarding 90% to 98.5% of the Spanish population, LTE deployment is the most appropriate. Since costumers in less populated the municipalities are more sensitive to the cost of the service, we consider that a single network deployment could be most appropriate. Finally, it has become clear that it is not possible to deliver 30Mbps to the final 1.5% of the population cost-efficiently and adoption predictions are not optimistic either. As there are other broadband alternatives able to deliver up to 20 Mbps, in the authors’ opinion, it is not necessary to cover the extreme rural areas, where public financing would be required.

Thermoelectric assessment of laser peening induced effects on a metallic biomedical Ti6Al4V

Laser peening has recently emerged as a useful technique to overcome detrimental effects associated to another well-known surface modification processes such as shot peening or grit blasting used in the biomedical field. It is worth to notice that besides the primary residual stress effect, thermally induced effects might also cause subtle surface and subsurface microstructural changes that might influence corrosion resistance. Moreover, since maximum loads use to occur at the surface, they could also play a critical role in the fatigue strength. In this work, plates of Ti-6Al-4V alloy of 7 mm in thickness were modified by laser peening without using a sacrificial outer layer. Irradiation by a Q-switched Nd-YAG laser (9.4 ns pulse length) working in fundamental harmonic at 2.8 J/pulse and with water as confining medium was used. Laser pulses with a 1.5 mm diameter at an equivalent overlapping density (EOD) of 5000 cm-2 were applied. Attempts to analyze the global induced effects after laser peening were addressed by using the contacting and non-contacting thermoelectric power (TEP) techniques. It was demonstrated that the thermoelectric method is entirely insensitive to surface topography while it is uniquely sensitive to subtle variations in thermoelectric properties, which are associated with the different material effects induced by different surface modification treatments. These results indicate that the stress-dependence of the thermoelectric power in metals produces sufficient contrast to detect and quantitatively characterize regions under compressive residual stress based on their thermoelectric power contrast with respect to the surrounding intact material. However, further research is needed to better separate residual stress effects from secondary material effects, especially in the case of low-conductivity engineering materials like titanium alloys.

New strategies in laser processing of TCOs for light management improvement in thin-film silicon solar cells

Light confinement strategies play a crucial role in the performance of thin-film (TF) silicon solar cells. One way to reduce the optical losses is the texturing of the transparent conductive oxide (TCO) that acts as the front contact. Other losses arise from the mismatch between the incident light spectrum and the spectral properties of the absorbent material that imply that low energy photons (below the bandgap value) are not absorbed, and therefore can not generate photocurrent. Up-conversion techniques, in which two sub-bandgap photons are combined to give one photon with a better matching with the bandgap, were proposed to overcome this problem. In particular, this work studies two strategies to improve light management in thin film silicon solar cells using laser technology. The first one addresses the problem of TCO surface texturing using fully commercial fast and ultrafast solid state laser sources. Aluminum doped Zinc Oxide (AZO) samples were laser processed and the results were optically evaluated by measuring the haze factor of the treated samples. As a second strategy, laser annealing experiments of TCOs doped with rare earth ions are presented as a potential process to produce layers with up-conversion properties, opening the possibility of its potential use in high efficiency solar cells.

Interconexión monolítica de módulos fotovoltaicos de silicio amorfo en lámina delgada sobre vidrio mediante ablación láser en régimen de nanosegundos

Esta tesis se centra en el estudio de una secuencia de procesos basados en la tecnología láser y ejecutados en dispositivos fotovoltaicos, que son imprescindibles para el desarrollo en general de las tecnologías fotovoltaicas basadas en lámina delgada y, en particular, de aquellas que utilizan silicio amorfo como absorbente, así como en aplicaciones posteriores de estas tecnologías de alto valor añadido como es la integración arquitectónica de este tipo de dispositivos. En gran parte de las tecnologías FV de lámina delgada, y muy particularmente en la de silicio amorfo, el material se deposita sobre un substrato en un área lo suficientemente grande para que se requiera de un proceso de subdivisión del dispositivo en células de tamaño adecuado, y su posterior conexión en serie para garantizar las figuras eléctricas nominales del dispositivo. Este proceso se ha desarrollado industrialmente hace años, pero no ha habido un esfuerzo científico asociado que permitiera conocer en profundidad los efectos que los procesos en si mismos tiene de forma individualizada sobre los materiales que componen el dispositivo y sus características finales. Este trabajo, desarrollado durante años en el Centro Láser de la UPM, en estrecha colaboración con Centro de Investigaciones Energéticas y Medioambientales (CIEMAT), la Universidad de Barcelona (UB), y la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), se centra justamente en un estudio detallado de dichos procesos, denominados habitualmente P1, P2, P3 y P4 atendiendo al orden en el que se realizan en el dispositivo. Este estudio incluye tanto la parametrización de los procesos, el análisis del efecto que los mismos producen sobre los materiales que componen el dispositivo y su comportamiento fotoeléctrico final, así como la evaluación del potencial uso de fuentes láser de última generación (ultrarrápidas) frente al estándar industrial en la actualidad que es el empleo de fuentes láser convencionales de ancho temporal en el rango de los nanosegundos. En concreto se ha estudiado en detalle las ventajas y limitaciones del uso de sistemas con diferentes rangos espectrales (IR, VIS y UV) y temporales (nanosegundos y picosegundos) para diferentes tipos de configuraciones y disposiciones tecnológicas (entendiendo por estas las habituales configuraciones en substrato y superestrato de este tipo de dispositivos). La caracterización individual de los procesos fue realizada primeramente en células de laboratorio específicamente diseñadas, abriendo nuevos planteamientos y conceptos originales para la mejora de los procesos láser de interconexión y posibilitando el empleo y desarrollo de técnicas y métodos avanzados de caracterización para el estudio de los procesos de ablación en las distintas láminas que conforman la estructura de los dispositivos fotovoltaicos, por lo que se considera que este trabajo ha propuesto una metodología completamente original, y que se ha demostrado efectiva, en este ámbito. Por último el trabajo aborda un tema de particular interés, como es el posible uso de los procesos desarrollados, no para construir los módulos fotovoltaicos en sí, sino para personalizarlos en forma y efectos visuales para potenciar su uso mediante elementos integrables arquitectónicamente, lo que es un ámbito de gran potencial de desarrollo futuro de las tecnologías fotovoltaicas de lámina delgada. En concreto se presentan estudios de fabricación de dispositivos integrables arquitectónicamente y plenamente funcionales no solo en dispositivos de silicio amorfo con efectos de transparencias y generación de formas libres, si no que también se incluye la posibilidad de hacer tales dispositivos con células de silicio cristalino estándar que es la tecnología fotovoltaica de mayor presencia en mercado. Es importante, además, resaltar que la realización de este trabajo ha sido posible gracias a la financiación obtenida con dos proyectos de investigación aplicada, MICROSIL (PSE-120000-2008-1) e INNDISOL (IPT-420000-2019-6), y los correspondientes al Plan Nacional de I+D+I financiados por el ministerio de Ciencia e Innovación y el Ministerio de Economía y Competitividad: CLÁSICO (ENE 2007- 67742-C04-04) y AMIC ENE2010-21384-C04-02. De hecho, y en el marco de estos proyectos, los resultados de este trabajo han ayudado a conseguir algunos de los hitos más importantes de la tecnología fotovoltaica en nuestro país en los últimos años, como fue en el marco de MICROSIL la fabricación del primer módulo de silicio amorfo con tecnología íntegramente española (hecho en colaboración con el CIEMAT), o la fabricación de los dispositivos para integración arquitectónica con geometrías libres que se describen en esta Tesis y que fueron parte de los desarrollos del proyecto INNDISOL. ABSTRACT This thesis focuses on the study of a sequence of laser-based technology and processes executed in photovoltaic devices, which are essential for the overall development of photovoltaic technologies based on thin film and, in particular, those using amorphous silicon as absorbent and subsequent applications of these technologies with high added value such as the architectural integration of such devices. In much of the PV thin film technologies, and particularly in the amorphous silicon material is deposited on a substrate in an area large enough so that it requires a process of subdivision of the device in cells of appropriate size, and subsequent serial connection to ensure nominal device power figures. This process has been industrially developed years ago, but there has been an associate scientific effort that would learn more about the effects that the processes themselves have either individually on the materials that make up the device and its final characteristics. This work, developed over years in the Laser Center of the UPM, in close collaboration with Centre for Energy and Environmental Research (CIEMAT), the University of Barcelona (UB) and the Polytechnic University of Catalonia (UPC)., Focuses precisely in a detailed study of these processes, usually they called P1, P2, P3 and P4 according to the order in which they perform on the device. This study includes both the parameters of the processes, the analysis of the effect they produce on the materials making up the device and its final photoelectric behavior as well as the potential use of EVALUATION of next-generation laser sources (ultrafast) versus standard industry today is the use of conventional laser sources temporal width in the range of nanoseconds. In particular we have studied in detail the advantages and limitations of using systems with different spectral ranges (IR, UV and VIS) and time (nanosecond and picosecond) for different configurations and technological provisions (meaning these typical configurations in substrate and superstrate such devices). Individual characterization of the processes was conducted primarily in laboratory cells specifically designed, opening new approaches and original concepts for improving laser interconnection processes and enabling the use and development of advanced techniques and characterization methods for studying the processes ablation in the different sheets making up the structure of the photovoltaic devices, so it is considered that this work has proposed a completely original methodology, which has proven effective in this area. Finally, the paper addresses a topic of particular interest, as is the possible use of lso developed processes, not to build the photovoltaic modules themselves but to customize fit and visual effects to enhance their use by integrated architectural elements, which is an area of great potential for future development of thin film photovoltaic technologies. Specifically studies manufacture of integrated architecturally and fully functional not only in amorphous silicon devices with transparency effects and generating freeform devices occur, if not also include the ability to make such devices with cells of standard crystalline silicon photovoltaic technology is more visible in the market. It is also important to note that the completion of this work has been possible thanks to the financing obtained with two applied research projects, Microsil (PSE-120000- 2008-1) and INNDISOL (IPT-420000-2019-6), and those for the National R & D funded by the Ministry of Science and Innovation and the Ministry of Economy and Competitiveness: CLASSIC (ENE 2007-67742-C04-04) and AMIC ENE2010-21384-C04- 02. In fact, within the framework of these projects, the results of this work have helped get some of the most important milestones of photovoltaic technology in our country in recent years, as it was under Microsil making the first module Amorphous silicon technology with entirely Spanish (made in collaboration with CIEMAT), or the manufacture of devices for architectural integration with free geometries that are described in this thesis and that were part of the project Inndisol developments.

Análisis prospectivo del despliegue de redes de comunicaciones móviles LTE en nuevas bandas de frecuencia mediante el desarrollo de modelos tecnoeconómicos

El estándar LTE se ha posicionado como una de las claves para que los operadores de telecomunicación puedan abordar de manera eficiente en costes el crecimiento de la demanda de tráfico móvil que se prevé para los próximos años, al ser una tecnología más escalable en el núcleo de la red y más flexible en la interfaz radio que sus predecesoras. En este sentido, es necesario también que los reguladores garanticen un acceso al espectro radioeléctrico adecuado, equitativo y no discriminatorio, que permita un entorno estable para el despliegue de redes de comunicaciones móviles avanzadas. Además de la flexibilización del marco regulador del espectro radioeléctrico en Europa, que ha permitido el despliegue de nuevas tecnologías en las bandas de frecuencia históricas de GSM, se ha puesto a disposición espectro adicional para sistemas IMT en nuevas bandas de frecuencia, lo que ha planteando a su vez nuevos retos para la tecnología y la regulación. La fragmentación del espectro disponible para comunicaciones móviles ha impulsado el desarrollo de técnicas de agregación de portadoras en las nuevas versiones del estándar LTE, que permiten explotar mejor los recursos radio en su conjunto. No obstante, el espectro inferior a 1 GHz sigue siendo escaso, ya que el tráfico móvil aumenta y la banda de 900 MHz aún se utiliza para servicios GSM, lo que no ha conseguido sino agravar la disputa entre los servicios de radiodifusión terrestre y de comunicaciones móviles por la parte superior de la banda UHF. En concreto, la banda de 700 MHz se perfila como una de las próximas para aumentar el espectro disponible para los servicios en movilidad, si bien su liberación por parte de las actuales redes de Televisión Digital Terrestre presenta no pocas dificultades en los Estados miembros en los que ésta es la principal plataforma audiovisual de acceso gratuito, abriendo un debate sobre el modelo audiovisual a largo plazo en Europa. Por otro lado, las políticas públicas de promoción del acceso a la banda ancha rápida y ultrarrápida de la presente década han establecido objetivos ambiciosos para el año 2020, tanto en el ámbito europeo como en los diferentes Estados miembros. La universalización del acceso a redes de banda ancha de al menos 30 Mbps constituye uno de los principales retos. Las expectativas generadas por la tecnología LTE y la puesta a disposición de nuevas bandas de frecuencia hace posible que los servicios de acceso fijo inalámbrico adquieran especial relevancia ante los objetivos de política pública establecidos que, como ha sido reconocido en diversas ocasiones, no podrán lograrse sino con un compendio de diferente tecnologías. Para esta Tesis Doctoral se han desarrollado una serie modelos tecnoeconómicos con el objetivo de realizar un análisis prospectivo que evalúa tres casos de especial relevancia en el despliegue de redes LTE: en primer lugar, la valoración económica de la banda de 700 MHz; en segundo lugar, la evaluación de modelos de negocio y reducción de costes considerando tecnologías femtocelulares; y finalmente, la viabilidad de las redes LTE de acceso fijo inalámbrico para el cierre de la brecha digital en el acceso a la banda ancha de 30 Mbps. En relación con la aplicación del análisis tecnoeconómico para la valoración del espectro de 700 MHz, los resultados obtenidos ponen de manifiesto dos cuestiones fundamentales. En primer lugar, la necesidad de asignar a los operadores más espectro para satisfacer las previsiones de demanda de tráfico móvil a medio plazo. En segundo, existe una diferencia notable en los costes de despliegue de una red LTE cuando se dispone de espectro en frecuencias inferiores a 1 GHz y cuando no, pero esta diferencia de costes disminuye a medida que se añade nuevo espectro sub-1GHz. De esta manera, la atribución de la banda de 700 MHz a servicios de comunicaciones móviles supone una reducción relevante en los costes de despliegue si el operador no dispone de espectro en la banda de 800 MHz, pero no así si ya dispone de espectro en bandas bajas para el despliegue. En este sentido, puede concluirse que el precio que los operadores estarán dispuestos a pagar por el espectro de la banda de 700 MHz dependerá de si ya tienen disponible espectro en la banda de 800 MHz. Sin embargo, dado que la competencia por ese espectro será menor, los ingresos esperables en las licitaciones de esta nueva banda serán en general menores, a pesar de que para algunos operadores este espectro sería tan valioso como el de 800 MHz. En segundo lugar, en relación con el despliegue de femtoceldas pueden extraerse algunas conclusiones en términos de ahorro de costes de despliegue y también de cara a la viabilidad de los modelos de negocio que posibilitan. El ahorro que supone la introducción de femtoceldas en el despliegue de una red LTE frente al caso de un despliegue exclusivamente macrocelular se ha demostrado que es mayor cuanto menor es el ancho de banda disponible para la red macrocelular. En esta línea, para un operador convergente el despliegue de femtoceldas tiene sentido económico si el ancho de banda disponible es escaso (en torno a 2x10 MHz), que, en el caso de España, puede reflejar el caso de los operadores del segmento fijo que son nuevos entrantes en el móvil. Por otro lado, los modelos de acceso abierto son interesantes para operadores exclusivamente móviles, porque consiguen flexibilizar los costes sustituyendo estaciones base macrocelulares por el despliegue de femtoceldas, pero necesitan desplegarse en zonas con una densidad de población relativamente elevada para que éstas descarguen tráfico de varios usuarios de la red macrocelular simultáneamente. No obstante, las femtoceldas son beneficiosas en todo caso si es el usuario quien asume los costes de la femtocelda y el backhaul, lo que sólo parece probable si se integran en el modelo de negocio de comercialización de nuevos servicios. Por tanto, el despliegue de femtoceldas en buena parte de la casuística estudiada sólo tiene sentido si consiguen aumentar los ingresos por usuario comercializando servicios de valor añadido que necesiten calidad de servicio garantizada y exploten a la vez de esa forma su principal ventaja competitiva respecto a la tecnología WiFi. Finalmente, en relación con el papel de la tecnología LTE para la provisión de servicios de acceso fijo inalámbrico para la banda ancha de 30 Mbps, se ha desarrollado un modelo TD-LTE y mediante la metodología de análisis tecnoeconómico se ha realizado un estudio prospectivo para el caso de España. Los resultados obtenidos preciden una huella de cobertura de FTTH del 74% para 2020, y demuestran que una red TD-LTE en la banda de 3,5 GHz resulta viable para aumentar la cobertura de servicios de 30 Mbps en 14 puntos porcentuales. Junto con la consideración de la cobertura de otras redes, la cobertura de 30 Mbps de acuerdo a la viabilidad de los despliegues alcanzaría el 95% en España en el año 2020. Como resumen, los resultados obtenidos muestran en todos los casos la capacidad de la tecnología LTE para afrontar nuevos desafíos en relación con el aumento del tráfico móvil, especialmente crítico en las zonas más urbanas, y el cierre de la brecha digital en el acceso a la banda ancha rápida en las zonas más rurales. ABSTRACT The LTE standard has been pointed out as one of the keys for telecom operators to address the demand growth in mobile traffic foreseen for the next years in a cost-efficient way, since its core network is more scalable and its radio interface more flexible than those of its predecessor technologies. On the other hand, regulators need to guarantee an adequate, equitable and non-discriminatory access to radio spectrum, which enable a favorable environment for the deployment of advanced mobile communication networks. Despite the reform of the spectrum regulatory framework in Europe, which allowed for the deployment of new technologies in the historic GSM bands, additional spectrum has been allocated to IMT systems in new frequency bands, what in turn has set out new challenges for technology and regulation. The current fragmentation of available spectrum in very different frequency bands has boosted the development of carrier aggregation techniques in most recent releases of the LTE standard, which permit a better exploitation of radio resources as a whole. Nonetheless, spectrum below 1 GHz is still scarce for mobile networks, since mobile traffic increases at a more rapid pace than spectral efficiency and spectrum resources. The 900 MHz frequency band is still being used for GSM services, what has worsen the dispute between mobile communication services and terrestrial broadcasting services for the upper part of the UHF band. Concretely, the 700 MHz frequency band has been pointed out as one of the next bands to be allocated to mobile in order to increase available spectrum. However, its release by current Digital Terrestrial Television networks is challenging in Member States where it constitutes the main free access audiovisual platform, opening up a new debate around the audiovisual model in the long term in Europe. On the other hand, public policies of the present decade to promote fast and ultrafast broadband access has established very ambitious objectives for the year 2020, both at European and national levels. Universalization of 30 Mbps broadband access networks constitutes one of the main challenges. Expectations raised by LTE technology and the allocation of new frequency bands has lead fixed wireless access (FWA) services to acquire special relevance in light of public policy objectives, which will not be met but with a compendium of different technologies, as different involved stakeholders have acknowledged. This PhD Dissertation develops techno-economic models to carry out a prospective analysis for three cases of special relevance in LTE networks’ deployment: the spectrum pricing of the 700 MHz frequency band, an assessment of new business models and cost reduction considering femtocell technologies, and the feasibility of LTE fixed wireless access networks to close the 30 Mbps broadband access gap in rural areas. In the first place and regarding the application of techno-economic analysis for 700 MHz spectrum pricing, obtained results reveal two core issues. First of all, the need to allocate more spectrum for operators in order to fulfill mobile traffic demand in the mid-term. Secondly, there is a substantial difference in deployment costs for a LTE network when there is sub-1GHz spectrum available and when there is not, but this difference decreases as additional sub-1GHz spectrum is added. Thus, the allocation of 700 MHz band to mobile communication services would cause a relevant reduction in deployment costs if the operator does not count on spectrum in the 800 MHz, but not if it already has been assigned spectrum in low frequencies for the deployment. In this regard, the price operators will be willing to pay for 700 MHz spectrum will depend on them having already spectrum in the 800 MHz frequency band or not. However, since competition for the new spectrum will not be so strong, expected incomes from 700 MHz spectrum awards will be generally lower than those from the digital dividend, despite this spectrum being as valuable as 800 MHz spectrum for some operators. In the second place, regarding femtocell deployment, some conclusions can be drawn in terms of deployment cost savings and also with reference to the business model they enable. Savings provided by a joint macro-femto LTE network as compared to an exclusively macrocellular deployment increase as the available bandwidth for the macrocells decreases. Therefore, for a convergent operator the deployment of femtocells can only have economic sense if the available bandwidth is scarce (around 2x10 MHz), which might be the case of fix market operators which are new entrant in mobile market. Besides, open access models are interesting for exclusively mobile operators, since they make costs more flexible by substituting macrocell base stations by femtocells, but they need to be deployed relatively densely populated areas so that they can offload traffic from several macrocell users simultaneously. Nonetheless, femtocells are beneficial in all cases if the user assumes both femtocell and backhaul costs, which only seems probable if they are integrated in a business model commercializing new services. Therefore, in many of the cases analyzed femtocell deployment only makes sense if they increase revenues per user through new added value services which need from guaranteed quality of service, thus exploiting its main competitive advantage compared to WiFi. Finally, regarding the role of LTE technology in the provision of fixed wireless access services for 30 Mbps broadband, a TD-LTE model has been developed and a prospective study has been carried out through techno-economic methodology for the Spanish case. Obtained results foresee a FTTH coverage footprint of 74% households for 2020, and prove that a TD-LTE network in the 3.5 GHz band results feasible to increase 30 Mbps service coverage in additional 14 percentage points. To sum up, obtained results show LTE technology capability to address new challenges regarding both mobile traffic growth, particularly critical in urban zones, and the current digital divide in fast broadband access in most rural zones.