Universitat Ramon Llull
Pijoan Vidal, Joan Lluis
2021-06-30
119 p.
Universitat Ramon Llull. La Salle
En els últims anys, les xarxes de comunicacions IoT han millorat significativament, tant respecte a la cobertura com a l'eficiència i el rendiment. Encara que aquestes millores són molt rellevants, no cobreixen la totalitat del territori mundial. Zones molt aïllades del món, com els pols o zones muntanyenques de difícil accés, no disposen d'aquesta mena de cobertura de dades, ja que les característiques del terreny limiten l'accés dels dispositius IoT en aquests entorns. Actualment, les solucions existents se centren en les comunicacions per satèl·lit que, si bé permeten la comunicació en aquests escenaris, tenen un cost econòmic molt elevat. D'altra banda, una possible solució seria l'ús de comunicacions HF. Gràcies a aquesta mena de comunicació es poden aconseguir velocitats de fins a 100 kbps, segons els estàndards i recerques prèvies. Una de les aplicacions de les comunicacions HF és la comunicació a través de la ionosfera. Aquest tipus d'enllaços proporcionen unes característiques ideals per a les comunicacions a llarga distància. En els últims quatre anys, el grup de recerca en tecnologies d'Internet (GRITS) de l'Escola d'Enginyeria de La Salle (Universitat Ramon Llull), s'ha centrat en les comunicacions ionosfèriques i, especialment, en la tecnologia NVIS (Near Vertical Incidence Skywave). En particular, ha posat el seu focus en les comunicacions amb la Base Antàrtica Joan Carles I. Aquest tipus de comunicació HF ofereix unes característiques ideals per a les comunicacions remotes de llarg abast, amb un radi de fins a 350 km i sense necessitat de visió directa entre els diferents transceptors. L'objectiu d'aquesta tesi és definir el millor escenari de comunicacions amb tecnologia NVIS per a una xarxa de cobertura IoT en entorns remots. Una de les principals metes és la disminució del consum en potència dels dispositius remots. Això proporcionarà una comunicació de llarg abast i maximitzarà el temps de vida de la bateria per a aquesta mena de dispositius, un factor primordial per a comunicacions IoT. A més, la solució proposada intenta mitigar el sobrecost econòmic que implicaria l'ús dels satèl·lits com a mitjà de comunicació, adaptant el desenvolupament de la tecnologia a dispositius de baix cost. Com a factor principal de millora, aquesta tesi se centra en la definició d'una capa física adaptada a l'entorn de comunicació NVIS. Per a optimitzar aquest enllaç, s'estudien les principals característiques d'un entorn wireless multicamí, el Doppler Shift, Doppler i Delay Spread, la qual cosa permet definir els temps de trama més adaptats a aquest canal. D'altra banda, es comparen les característiques de les modulacions QAM, PSK i FSK (d'ordre 2 a 32) en transmissions de molt baixa potència (de 0,5 W a 25 W) i en un entorn multicamí. Aquesta anàlisi permetrà definir la millor trama de comunicació, establint la capa física per a comunicacions NVIS en entorns remots. Finalment, i per a demostrar la viabilitat de la tecnologia desenvolupada en un entorn civil, es defineix i implementa un procés de transferència de coneixements del món acadèmic al món empresarial. S'estudien els diferents mercats on es podrien integrar aquest tipus de comunicacions, i es defineix una proposta de valor per al mercat de les comunicacions remotes, tot això amb la finalitat d'arribar a una conclusió tant de viabilitat econòmica com de necessitat de la tecnologia per a un escenari d'ús civil.
En los últimos años, las redes de comunicaciones IoT han mejorado significativamente, tanto con respecto a la cobertura como a la eficiencia y el rendimiento. Aunque estas mejoras son muy relevantes, no cubren la totalidad del territorio mundial. Zonas muy aisladas del mundo, como los polos o zonas montañosas de difícil acceso, no disponen de este tipo de cobertura de datos, ya que las características del terreno limitan el acceso de los dispositivos IoT en estos entornos. Actualmente, las soluciones existentes se centran en las comunicaciones por satélite que, si bien permiten la comunicación en estos escenarios, tienen un coste económico muy elevado. Por otra parte, una posible solución sería el uso de comunicaciones HF. Gracias a este tipo de comunicación se pueden alcanzar velocidades de hasta 100 kbps, según los estándares e investigaciones previas. Una de las aplicaciones de las comunicaciones HF es la comunicación a través de la ionosfera. Este tipo de enlaces proporcionan unas características ideales para las comunicaciones a larga distancia. En los últimos cuatro años, el grupo de investigación en tecnologías de Internet (GRITS) de la Escuela de Ingeniería de La Salle (Universidad Ramon Llull), se ha centrado en las comunicaciones ionosféricas y, especialmente, en la tecnología NVIS (Near vertical incidence skywave). En particular, ha puesto su foco en las comunicaciones con la Base Antártica Juan Carlos I. Este tipo de comunicación HF ofrece unas características ideales para las comunicaciones remotas de largo alcance, con un radio de hasta 350 km y sin necesidad de visión directa entre los diferentes transceptores. El objetivo de esta tesis es definir el mejor escenario de comunicaciones con tecnología NVIS para una red de cobertura IoT en entornos remotos. Una de las principales metas es la disminución del consumo en potencia de los dispositivos remotos. Esto proporcionará una comunicación de largo alcance y maximizará el tiempo de vida de la batería para este tipo de dispositivos, un factor primordial para comunicaciones IoT. Además, la solución propuesta intenta mitigar el sobrecoste económico que implicaría el uso de los satélites como medio de comunicación, adaptando el desarrollo de la tecnología a dispositivos de bajo coste. Como factor principal de mejora, esta tesis se centra en la definición de una capa física adaptada al entorno de comunicación NVIS. Para optimizar este enlace, se estudian las principales características de un entorno wireless multitrayecto, el Doppler Shift, Doppler y Delay Spread, lo cual permite definir los tiempos de trama más adaptados a este canal. Por otra parte, se comparan las características de las modulaciones QAM, PSK y FSK (de orden 2 a 32) en transmisiones de muy baja potencia (de 0,5 W a 25 W) y en un entorno multitrayecto. Este análisis permitirá definir la mejor trama de comunicación, estableciendo la capa física para comunicaciones NVIS en entornos remotos. Finalmente, y para demostrar la viabilidad de la tecnología desarrollada en un entorno industrial, se define e implementa un proceso de transferencia de conocimientos del mundo académico al mundo empresarial. Se estudian los diferentes mercados donde se podrían integrar este tipo de comunicaciones, y se define una propuesta de valor para el mercado de las comunicaciones remotas, todo ello con el fin de llegar a una conclusión tanto de viabilidad económica como de necesidad de la tecnología para un escenario de uso civil.
In the last years, IoT communications networks have improved significantly, both in terms of coverage and in terms of efficiency and performance. Although these improvements are very relevant, they do not cover the entire world territory. Very isolated areas of the world, such as the poles or mountainous areas that are difficult to access, do not have this type of data coverage, as the terrain characteristics limit the access of IoT devices in these environments. Currently, existing solutions are focused on satellite communications that, although they allow communication in these scenarios, have a very high economic cost. On the other hand, a possible solution would be the use of HF communications. Thanks to this type of communication, speeds of up to 100 kbps can be achieved, according to standards and previous research. One of the applications of HF communications is communication through the ionosphere. This type of link provides ideal characteristics for long distance communications. In the last four years, the research group on Internet technologies (GRITS) at the La Salle School of Engineering (Ramon Llull University), has focused on ionospheric communications and, especially, on NVIS technology (Near Vertical Incidence Skywave). In particular, it has focused on communications with the Juan Carlos I Antarctic Base. This type of HF communication offers ideal characteristics for long-range remote communications, with a radius of up to 350 km and without the need for direct vision between the different transceivers. The purpose of this thesis is to define the best NVIS technology communications scenario for an IoT coverage network in remote environments. One of the main goals is to decrease the power consumption of remote devices. This will provide long range communication and maximize battery life for these types of devices, a major factor for IoT communications. In addition, the proposed solution attempts to mitigate the economic over-cost that would be involved in using satellites as a means of communication, by adapting the development of the technology to low-cost devices. As a main improvement factor, this thesis focuses on the definition of a physical layer adapted to the NVIS communication environment. In order to optimize this link, the main characteristics of a multipath wireless environment, the Doppler Shift, Doppler and Delay Spread, are studied, allowing the definition of the most adapted frame times for this channel. Furthermore, the characteristics of QAM, PSK and FSK modulations (from order 2 to 32) in very low power transmissions (from 0.5 W to 25 W) and in a multipath environment are compared. This analysis will allow to define the best communication frame, establishing the physical layer for NVIS communications in remote environments. Finally, and in order to demonstrate the viability of the technology developed in an industrial environment, a process of knowledge transfer from the academic world to the business world is defined and implemented. The different markets where this type of communications could be integrated are studied, and a value proposal for the remote communications market is defined, all with the aim of reaching a conclusion on both the economic viability and the need for the technology for a non-military use scenario.
NVIS; Modulaciones banda estrecha; Ionosfera; Canal; Transceptor; Antartica; Remote Internet Of Things
621.3 - Ingeniería eléctrica. Electrotecnia. Telecomunicaciones
Tecnologies de la informació i de les comunicacions (TIC)
ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
