Propuesta de Proyecto de Investigación Doctoral en Codirección con la ENIB (Brest, France)
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Propuesta de Proyecto de Investigación Doctoral en Codirección con la ENIB (Brest, France)
Propuesta de Proyecto de Investigación Doctoral en Codirección con la ENIB (Brest, France)
Radio UWB por Impulsos sobre sistemas de fibra con capacidades de radar y comunicación para el Internet de las Cosas
Institución de realización del doctorado: ITESO, Universidad Jesuita de Guadalajara.
Doctorado en Ciencias de la Ingeniería, reconocido en el Programa Nacional de Posgrados de Calidad del CONACYT.
Institución anfitriona en Francia: Ecole Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB), Brest, France.
Entidad anfitriona de la investigación: Laboratorio de investigación Lab-STICC, CNRS UMR 6285, Francia
Institución socia: Université de Bretagne Occidentale (Brest, France)
Fecha de inicio: agosto 2021
Areas de investigación/ palabras clave: Internet de las cosas; Ciudades inteligentes; tecnología UWB; Radio sobre fibra; technology; Radio-over-fiber; Radio UWB por Impulsos; formas de onda/modulación; Hardware impairments; Communication; Radar.
Contexto y objetivos:
La transmisión digital de alta velocidad es un tema crucial en nuestras sociedades modernas y es un vector de progreso en diversos campos (transporte, industria, comercio, docencia, información…). Esto da como resultado un número cada vez mayor de aplicaciones y servicios con una demanda explosiva de ancho de banda [Akhtar2020]. Análisis recientes muestran que hemos cruzado el umbral del zettabyte para el tráfico global de Internet [Dutta2016] y que la tendencia ascendente continuará, impulsada en particular por la telefonía móvil y la emergente Internet de las cosas (IoT). IoT tiene un papel importante que desempeñar en diversos dominios de aplicaciones, como hogares inteligentes, atención médica, automatización industrial, transporte inteligente, gestión de recursos, ciudades inteligentes y gestión de la energía [Nikoukar2018]. Para 2022, habrá 12,3 mil millones de dispositivos móviles, lo que excederá a la población mundial proyectada en ese momento [Cisco2019]. El enorme crecimiento de los dispositivos conectados requiere importantes desarrollos tecnológicos para garantizar el acceso simultáneo a una variedad de servicios para todos estos dispositivos. Entre las tendencias globales de redes móviles, se observa que gran parte de la actividad de datos móviles tiene lugar dentro de los hogares de los usuarios al cambiar de una conexión macrocelular a celdas pequeñas interiores; se espera que la cantidad de tráfico descargado de los teléfonos inteligentes alcance el 59% para 2022. Actualmente se considera que la densificación de la red es una de las tecnologías más prometedoras para la difusión exitosa de servicios y aplicaciones de IoT en la sociedad [Kamel2016]. Una red ultradensa (UDN) se define como una red donde hay más células que dispositivos conectados. En dichas redes se implementa un gran número de puntos de acceso de radio de baja potencia (RAP) con poca cobertura, a fin de mejorar la calidad del servicio para los usuarios. Las UDN se basan generalmente en enlaces de fibra/inalámbricos [Alimi2018] [Lim2019] con RAPs distribuidos espacialmente conectados a una unidad central (CU) a través de fibra óptica, lo que garantiza una distribución de señal confiable de largo alcance con características clave que incluyen baja atenuación, gran ancho de banda, inmunidad a interferencia electromagnética y seguridad. A pesar de consumir mucho tiempo y que el desarrollo de su infraestructura óptica sea costoso, el front-haul óptico es una buena inversión a largo plazo y es una mejor tecnología de front-haul para futuros sistemas inalámbricos [Yu2020].
En el caso de las femto-células o redes de área personal inalámbricas, donde la cobertura típica es del orden de 10 metros, la banda ultra ancha (UWB) ha sido señalada como una tecnología inalámbrica prometedora de bajo costo y baja potencia [Zhang2009] debido a su capacidad para operar sobre las mismas frecuencias que otros estándares inalámbricos mientras causan una interferencia insignificante sin requisitos de licencia, siempre que se respete una máscara espectral de emisión específica. Según la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU. (FCC), los sistemas UWB tienen que funcionar en la banda [3,1, 10,6] GHz manteniendo la potencia radiada isotrópica equivalente media por debajo del límite de -41,3 dBm / MHz. El radio UWB impulsional (IR)-UWB, el enfoque más popular de este tipo de tecnología, es una técnica de banda única sin portadora que transmite datos directamente en una secuencia de impulsos como formas de onda, ocupando toda la banda de frecuencia disponible. Estos sistemas son de naturaleza flexible y en realidad ofrecen una doble funcionalidad comunicación/cálculo de distancias cortas, sin necesidad de servicios por satélite. Desde su aprobación por la FCC en 2002, la UWB ha suscitado un interés considerable en la comunidad de investigación de comunicaciones inalámbricas, dando como resultado la adopción de dos estándares activos, el IEEE 802.15.4 y el IEEE 802.15.16 [Niemala2017]. Como ZigBee y particularmente Bluetooth han sido las tecnologías de comunicación de corto alcance dominantes hasta ahora, con características mejoradas a lo largo de los años, UWB aún no se ha adoptado ampliamente. Sin embargo, la tendencia está cambiando actualmente con la aceleración del despliegue de soluciones de IoT. Se han reportado aplicaciones exitosas de UWB en varios dominios, principalmente con fines de localización [Alarifi2016] [Shule2020] [Khan2020], ya que IR-UWB permite mediciones de distancia, dirección y ubicación más precisas, con mayor seguridad y menor consumo de energía en comparación con otras técnicas de radio operando a distancias cortas. En [Minoli2018] se informó de una amplia gama de aplicaciones potenciales de la tecnología UWB para IoT y Smart Cities. De hecho, la tecnología UWB se utilizará de forma más activa tanto en el mercado masivo como en soluciones empresariales en un futuro próximo, como resultado del estándar IEEE 802.15.4z [Sedlacek 2019] en desarrollo para ampliar la gama de aplicaciones UWB. También se puede mencionar la aparición de chips UWB integrados en teléfonos inteligentes [StaceyonIot2020] y otros dispositivos móviles como computadoras portátiles [UWB alliance2020]. Por lo tanto, incluso si UWB actualmente no está tan extendido como WiFi o Bluetooth, la tendencia puede cambiar drásticamente en el futuro cercano [Corbalan2020].
Durante los últimos años, una serie de esfuerzos de investigación se han centrado en diseñar sistemas IR-UWB robustos para aplicaciones de IoT. Dado que el detector UWB coherente requiere una sincronización precisa y una estimación de canal, generalmente difícil de lograr para señales de banda ancha, varias contribuciones se relacionan con sistemas UWB no coherentes más simples como los de referencia transmitida (TR), detectores diferenciales y detectores de energía. También se han informado algunos resultados interesantes con respecto al transporte de IR-UWB a través de fibra óptica, que se adapta bien a las futuras arquitecturas de red que tienden a depender en gran medida de enlaces fibra/inalámbrica.
El presente proyecto de tesis es una continuación del trabajo realizado en el laboratorio Lab-STICC durante los últimos 10 años, con diversas contribuciones que incluyen la estimación ciega de parámetros de señales IR-UWB, sistemas cognitivos UWB, estimación comprimida de canales UWB basados ¿¿en sensores comprimidos y extensión de UWB sobre sistemas de fibra.
El objetivo general de esta tesis es diseñar enlaces IR-UWB robustos, energéticamente eficientes y de bajo costo, a través de fibra con capacidad de duplexación, para satisfacer las necesidades futuras de comunicaciones o aplicaciones de radar en el contexto de IoT.
Para evitar el uso de una fuente óptica en el RAP, se investigarán algunas técnicas de remodulación [Thomas2015]. De esta manera, la comunicación de enlace ascendente se logra reutilizando la señal óptica del enlace descendente en el RAP. En particular, se pueden investigar los siguientes enfoques: uso de un modulador Mach-Zehnder de polarización dual en la unidad central (CU) [Tang2016] o uso de un amplificador óptico semiconductor reflectante (RSOA) en el RAP [Won2007].
A lo largo del estudio, el enlace óptico se considerará no ideal y se examinará cuidadosamente la influencia de las degradaciones / limitaciones de los dispositivos en el rendimiento del sistema. Esto incluye la atenuación óptica, las no linealidades asociadas a las conversiones eléctrico a óptico (E/O) y óptico a eléctrico (O/E), la dispersión cromática y el impacto de la reutilización de la longitud de onda. A estos defectos se les añade típicamente algo de ruido y distorsiones no lineales debido al amplificador de potencia eléctrica en el RAP.
Se explorarán varias formas de onda UWB y esquemas de modulación recientemente propuestos para hacer frente a distorsiones de canales inalámbricos, como componentes densos de trayectorias múltiples, ruido impulsivo o interferencias de banda estrecha, manteniendo la complejidad de implementación y el costo lo más bajo posible.
Se hará un especial esfuerzo para diseñar un sistema conjunto radar-comunicación que consiste en utilizar una única forma de onda para percibir el entorno y enviar información [Akan2020] [Liu2020].
Entre los esquemas de modulación que se considerarán en el estudio se encuentran esquemas avanzados de DCSK [Fang2016] [Kim2019] [Miao2019] [Ma2020], enfoques mejorados de clústeres de pulsos de referencia transmitida [Jin2017] [Sharma2019] y técnicas novedosas basadas en la detección de energía [Mesloub2017] [ Badawy2020]. Se buscará la mejora del rendimiento en términos de tasa de error de bits (BER) para los esquemas de modulación más prometedores.
A lo largo del proyecto se buscará lograr un balance entre las contribuciones producto de estudios teóricos y aquellas resultado de la experimentación, lo cual será posible gracias a las facilidades puestas a disposición por los socios de este proyecto.
Se tendrá especial atención en la diseminación de resultados de la investigación, con un fin sistemático de publicación en revistas arbitradas internacionales y en conferencias internacionales.
El estudio se desarrollará en el contexto de una colaboración internacional entre la unidad de investigación francesa Lab-STICC (CNRS UMR 6285)/ENIB (Prof. S. Azou, Dr. P. Morel) y el ITESO (Dr. J. A. Pardinas-Mir) a través de una codirección del proyecto de tesis.
El estudiante interactuará con el Dr. Faheem Khan, cuyo trabajo es apoyado por MSCA[1] dentro del programa europeo de investigación Horizon 2020 para dirigir el proyecto UWB-IODA [UWB-IODA2020] bajo la supervisión del Prof. Emanuel Radoi (University of Brest).
Apoyo financiero
Candidato al programa de apoyo a la movilidad doctoral ofrecido por el Instituto Francés de América Latina (IFAL), el cual incluye un apoyo de 1060 euros mensuales por mes para cada una de 3 estancias en Francia (cada estancia de una duración máxima de 3 meses).
Candidato a beca de posgrado CONACYT.
Requisitos:
- Grado de maestría en áreas de ingeniería electrónica, telecomunicaciones o fotónica.
- Fundamentos sólidos en sistemas e comunicación y procesamiento de señales.
- Buenas habilidades de programación.
Eligibilidad: Abierto a ciudadanos mexicanos.
Información de contacto para este proyecto:
Enviar curriculum vitae, una carta de motivación, calificaciones universitarias y cartas de recomendación, todo ello en inglés, antes del 30 de abril de 2021, de manera simultánea a las siguientes direcciones.
Prof. Stéphane Azou Ecole Nationale d'Ingénieurs de Brest, France email: azou@enib.fr
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Dr. Jorge Arturo Pardiñas Mir ITESO, Guadalajara, Mexico email: jpardinas@iteso.mx
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Para el Doctorado en Ciencias de la Ingeniería del ITESO:
Dr. Zabdiel Brito Brito
Referencias
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