Millimeter-wave communications for 5G: fundamentals: Part I [Guest Editorial]

The widespread availability and demand for multimedia capable devices and multimedia content have fueled the need for high-speed wireless connectivity beyond the capabilities of existing commercial standards. While fiber optic data transfer links can provide multigigabit- per-second data rates, cost and deployment are often prohibitive in many applications. Wireless links, on the contrary, can provide a cost-effective fiber alternative to interconnect the outlining areas beyond the reach of the fiber rollout. With this in mind, the ever increasing demand for multi-gigabit wireless applications, fiber segment replacement mobile backhauling and aggregation, and covering the last mile have posed enormous challenges for next generation wireless technologies. In particular, the unbalanced temporal and geographical variations of spectrum usage along with the rapid proliferation of bandwidth- hungry mobile applications, such as video streaming with high definition television (HDTV) and ultra-high definition video (UHDV), have inspired millimeter-wave (mmWave) communications as a promising technology to alleviate the pressure of scarce spectrum resources for fifth generation (5G) mobile broadband.

Improving Bandwidth Efficiency in E-band Communication Systems

The allocation of a large amount of bandwidth by regulating bodies in the 70/80 GHz band, i.e., the E-band, has opened up new potentials and challenges for providing affordable and reliable Gigabit per second wireless point-to-point links. This article first reviews the available bandwidth and licensing regulations in the E-band. Subsequently, different propagation models, e.g., the ITU-R and Cane models, are compared against measurement results and it is concluded that to meet specific availability requirements, E-band wireless systems may need to be designed with larger fade margins compared to microwave systems. A similar comparison is carried out between measurements and models for oscillator phase noise. It is confirmed that phase noise characteristics, that are neglected by the models used for narrowband systems, need to be taken into account for the wideband systems deployed in the E-band. Next, a new multi-input multi-output (MIMO) transceiver design, termed continuous aperture phased (CAP)-MIMO, is presented. Simulations show that CAP-MIMO enables E-band systems to achieve fiber-optic like throughputs. Finally, it is argued that full-duplex relaying can be used to greatly enhance the coverage of E-band systems without sacrificing throughput, thus, facilitating their application in establishing the backhaul of heterogeneous networks.

Recent developments in bridge weigh-in-motion (B-WIM).

Bridge Weigh in Motion (B-WIM) uses accurate sensing systems to transform an existing bridge into a mechanism to determine actual traffic loading. This information on traffic loading can enable efficient and economical management of transport networks and is becoming a valuable tool for bridge safety assessment. B-WIM can provide site specific traffic loading on deteriorating bridges, which can be used to determine if the reduced capacity is still sufficient to allow the structure to remain operational and minimise unnecessary replacement or rehabilitation costs and prevent disruption to traffic. There have been numerous reports on the accuracy classifications of existing B-WIM installations and some common issues have emerged. This paper details some of the recent developments in B-WIM which were aimed at overcoming these issues. A new system has been developed at Queens University Belfast using fibre optic sensors to provide accurate axle detection and improved accuracy overall. The results presented in this paper show that the fibre optic system provided much more accurate results than conventional WIM systems, as the FOS provide clearer signals at high scanning rates which require less filtering and less post processing. A major disadvantage of existing B-WIM systems is the inability to deal with more than one vehicle on the bridge at the same time; sensor strips have been proposed to overcome this issue. A bridge can be considered safe if the probability that load exceeds resistance is acceptably low, hence B-WIM information from advanced sensors can provide confidence in our ageing structures.

Metrologia óptica com fibra polimérica

O presente trabalho teve por objectivo global o estudo e desenvolvimento de sensores baseados em fibra óptica polimérica. O crescimento da tecnologia polimérica nos últimos anos permitiu a introdução deste tipo de fibras ópticas na área das telecomunicações e no desenvolvimento de sensores. As vantagens associadas à metrologia óptica com fibra polimérica têm vindo a atrair as atenções da comunidade científica dado que permitem o desenvolvimento de sistemas de baixo-custo ou custo competitivo face às tecnologias convencionais. Dada a actualidade do tema proposto, descreve-se, numa primeira fase, a tecnologia em fibra óptica polimérica existente no mercado e o estado de arte de sensores em fibra óptica polimérica. Segue-se a descrição de dois tipos de sensores baseados em modulação de intensidade. Projectou-se um sensor extrínseco capaz de avaliar a quantidade de luz dispersa e absorvida por partículas suspensas num líquido. Foi efectuada a caracterização do sensor quanto à concentração de partículas suspensas, tamanho e reflectividade. O sensor foi testado no âmbito da monitorização ambiental, designadamente, na análise de turbidez em amostras de sedimentos recolhidos em áreas ardidas. O sistema desenvolvido foi comparado com um sistema comercial. Um sensor intrínseco, baseado no polimento lateral de fibra óptica polimérica, foi analisado analiticamente. O modelo teórico avalia o sensor em diferentes condições de macroencurvamento e de índice de refracção do meio envolvente. O modelo teórico foi validado positivamente através de resultados experimentais. Foi avaliada a sensibilidade à temperatura e os conhecimentos adquiridos foram aplicados no desenvolvimento de um sistema capaz de monitorizar a cura de diferentes materiais. É ainda apresentada uma técnica para melhorar a sensibilidade do sensor de curvatura através da aplicação de um revestimento na zona sensível. A dependência na curvatura da potência transmitida por uma fibra óptica polida lateralmente serviu de base ao desenvolvimento de uma joelheira e de uma cotoveleira instrumentada, capazes de avaliar quantitativamente o movimento articular. A necessidade de portabilidade levou ao desenvolvimento de um sistema sem fios para aquisição e transmissão de dados. Espera-se que os protótipos desenvolvidos venham a ter um impacto significativo em sistemas futuros aplicados à medicina física e reabilitação.

Sensores de Bragg para bioaplicações

Nas últimas décadas, os sensores de Bragg têm sido frequentemente utilizados em inúmeras aplicações, em resultado das características únicas desta tecnologia. Contudo, a comunidade científica tem feito um esforço contínuo em desenvolver sensores que respondam tanto quanto possível aos requisitos e interesses de cada aplicação em particular. As bioaplicações são um campo de crescente interesse pelos sensores de Bragg, atendendo à heterogeneidade e complexidade dos meios de análise em questão. No âmbito desta dissertação foi realizada uma análise teórica dos princípios de funcionamento das redes de Bragg, focada em redes uniformes e inclinadas. Foi também descrito o processo de produção de redes de Bragg regeneradas. Redes de Bragg uniformes foram aplicadas na caracterização da reacção de polimerização e cura de materiais dentários, nomeadamente resina para base de dentadura, cimentos e gessos. Foi feita uma análise comparativa do desempenho de diferentes tipos de cimentos e gessos. Em relação ao gesso foi ainda avaliada a influência do rácio água/pó nas propriedades do material. Devido à importância que o índice de refracção tem na detecção de substâncias, doenças e controlo de qualidade de produtos, foi desenvolvido um sensor de índice de refracção baseado numa rede de Bragg inclinada. Implementaram-se também sensores para medição simultânea de índice de refracção e deformação, índice de refracção e temperatura e índice de refracção, deformação e temperatura, todos baseados numa única rede inclinada. O último dispositivo foi validado em ambiente laboratorial. Com o propósito de desenvolver um sensor baseado em redes de Bragg para monitorização da deformação óssea, foi avaliada a biocompatibilidade da fibra óptica em cultura de células osteoblásticas, e analisada a integridade física e funcionalidade da rede de Bragg nesse meio. O interesse em aumentar a sensibilidade e alargar a gama de trabalho dos sensores conduziu ao revestimento das fibras ópticas. Atendendo ao potencial índole biológica e biomédica do trabalho, usou-se como material de recobrimento o diamante, dada a excelente resposta em termos de biocompatibilidade, resistência à corrosão, não toxicidade e afinidade para espécies químicas e biológicas. Os filmes foram obtidos por deposição química a partir da fase vapor assistida por filamento quente. Para além de amostras de fibra óptica, foram revestidas redes de Bragg uniformes e regeneradas. Os sensores revestidos com diamante foram caracterizados à deformação e à temperatura.

“Fabrication and characterization of polymer optical fibers for photonic device applications

Although the main application of optical fibers are in the field of telecommunication, optical fiber based sensors of various designs are becoming valuable devices for wide industrial applications. The advantages of optical fiber-based sensors include high sensitivity, insensitivity to electromagnetic radiation; spark free, light weight and minimal intrusiveness due to their relatively small size and deployment in harsh and hostile environments. It has been proved that POI-7 based sensors can be employed to detect a great variety of parameters including temperature, humidity, pressure, refractive index etc. The proposed thesis presented in six chapters deals with the work carried on dye doped and undoped POF for photonic device applications such as amplifier, laser and sensor