TecnoLógicas

Advances in electromagnetic applications and communications

Bidirectional single sideband transmission of Millimeter Waves over Fiber for 5G Mobile Networks

Abstract This study proposes, experimentally demonstrates, and simulates a network architecture for the transport of millimeter waves (MMW) based on Radio over Fiber (RoF) techniques for the transport of signals in the fronthaul segment of the next 5G generation mobile systems. Such approach exploits the benefits of bidirectional single-sideband modulation in order to generate an optical subcarrier for the downlink transmission and a second subcarrier for the transport of the uplink services, as well as the centralization of optical sources. The proposed architecture is evaluated based on the analyses of the Bit Error Rate (BER) performance and Error Vector Magnitude (EVM) in both downlink and uplink. Likewise, simulation modeling of the approach was conducted in order to evaluate the quality of the MMW signals at different frequencies available in the MMW spectrum. The results show a power penalty lower than 2 dB for a 1x1-12 BER and an EVM below 12% within a power margin of 6 dB, which demonstrates the feasibility of the approach.

Resumen Una arquitectura de red para el transporte de ondas milimétricas (MMW) basada en las técnicas de Radio sobre Fibra (RoF) para el transporte de señales en el segmento de fronthaul de los futuros sistemas 5G se propone, se demuestra experimentalmente y se simula en este artículo. La propuesta aprovecha los beneficios de una doble modulación en banda lateral única para generar una subportadora óptica para la transmisión en el enlace descendente y una segunda subportadora para el transporte de los servicios en el enlace ascendente, así como la centralización de las fuentes ópticas. La evaluación de la arquitectura propuesta se basa en el análisis del rendimiento de la Tasa de Error de Bit (BER) y la Magnitud de Vector de Error (EVM) tanto en el enlace descendente como en el enlace ascendente. Del mismo modo, se realizó un modelo de simulación de la propuesta para evaluar la calidad de las señales en MMW a diferentes frecuencias del espectro disponible de MMW. Los resultados muestran una penalización en potencia de 2 dB para un BER de 1x10-12y un EVM inferior al 12% en un margen de potencia de 6 dB, demostrando la factibilidad del sistema propuesto.

Quality of service evaluation based on network slicing for software-defined 5G systems

Abstract This paper presents the evaluation of the quality of service parameters provided by the network slicing approach for 5G networks based on a software-defined networking environment. The open source controller Floodlight made bandwidth allocation decisions by assigning network slices to user profiles on particular topologies. The objective is to control the bandwidth resources that allow to guarantee latency and reliability values according to the type of service in a sliced 5G network. Thus, it was possible to demonstrate the versatility and scalability of the Floodlight controller, which reduced the loss rate by 10% in a congested network and ensured delays of less than 700ms in applications such as VoIP and video streaming sharing a channel with a limited bit rate of 5 Mbps.

Resumen Este artículo presenta la evaluación de los parámetros de calidad del servicio proporcionadas por la segmentación de recursos para redes 5G basadas en un entorno de red definido por software. El controlador Floodlight realizó decisiones de asignación de ancho de banda definiendo segmentos de red a perfiles de usuario en topologías particulares. El objetivo es controlar los recursos de ancho de banda que permiten garantizar valores de latencia y confiabilidad de acuerdo con el tipo de servicio en una red 5G. De esta forma, fue posible demostrar la versatilidad y escalabilidad del controlador Floodlight, que redujo la tasa de pérdida en un 10% en una red congestionada y permitió retrasos de menos de 700ms en aplicaciones como VoIP y transmisión de video compartiendo un canal con una velocidad de bits limitada de 5 Mbps.

First principles calculations of the electronic and dielectric properties of λ-Ta ₂ O ₅

Abstract Ta2O5 is a wide-bandgap semiconductor that offers interesting applications in micro-wave communications, mainly related to the manufacture of filters and resonators whose size is inversely proportional to the dielectric constant of the material. For that reason, in this work we present a theoretical study, based on density functional theory (using PBEsol and hybrid HSE06 exchange-correlation functionals), of the electronic and dielectric properties of the orthorhombic model λΤa2O5 We found that this model has a direct gap of 2.09 and 3.7 eV with PBEsol and HSE06, respectively. Furthermore, the calculated static dielectric constant, 51, is in good agreement with the reported values of other phases of this semiconductor.

Resumen Ta2O5 es un semiconductor de gap-ancho el cual tiene interesantes aplicaciones en comunicaciones en la región de las micro-ondas, principalmente está relacionado con la fabricación de filtros y resonadores, donde su tamaño es inversamente proporcional a la constante dieléctrica del material. Por este motivo, en este trabajo presentamos un estudio teórico a partir de la teoría de los funcionales de la densidad (usando PBEsol y el híbrido HSE06 para el funcional de intercambio-correlación) de las propiedades electrónicas y dieléctricas del modelo ortorrómbico (-Ta2O5. Aquí, encontramos que este modelo tiene un gap directo de 2.09 y 3.7 eV con PBEsol y HSE06, respectivamente. Además, la constante dieléctrica estática calculada es 51, en buen acuerdo con los valores reportados para otras fases de este semiconductor.

Time-frequency representations from inertial sensors to characterize the gait in Parkinson’s disease

Resumen La Enfermedad de Parkinson (EP) es un desorden neurodegenerativo del sistema nervioso central, cuyas características principales incluyen entre otras la rigidez, bradicinesia y pérdida de los reflejos posturales. El diagnóstico de la EP está basado en análisis de la historia clínica y evaluaciones físicas realizadas a los pacientes. El monitoreo del estado neurológico de los pacientes está basado en valoraciones subjetivas que realizan los neurólogos. El análisis de la marcha usando sensores inerciales aparece como un instrumento sencillo y útil para ayudar en el proceso de diagnóstico y monitoreo de los pacientes con EP. En este artículo usamos el sistema eGaIT, el cual captura señales de acelerómetro y giróscopo del proceso de marcha para evaluar las habilidades motoras de los pacientes. Las transformadas de Fourier y Wavelet son utilizadas para extraer medidas basadas en energía y entropía en el dominio de Tiempo-Frecuencia. Las características extraídas son utilizadas para discriminar entre pacientes con EP y personas sanas. De acuerdo con los resultados, es posible clasificar estos dos grupos con una precisión de hasta el 94 %.

Abstract Parkinson’s Disease (PD) is a neurodegenerative disorder of the central nervous system whose main symptoms include rigidity, bradykinesia, and loss of postural reflexes. PD diagnosis is based on an analysis of the medical record and physical examinations of the patient. Besides, the neurological state of patients is monitored with subjective evaluations by neurologists. Gait analysis using inertial sensors was introduced as a simple and useful tool that supports the diagnosis and monitoring of PD patients. This work used the eGaIT system to capture the signals of the accelerometer and the gyroscope of the gait in order to evaluate the motor skills of patients. Fourier and wavelet transform were used to extract measurements based on energy and entropy in the time-frequency domain. The extracted characteristics were used to recognize differences between PD patients and healthy individuals. The results enabled to classify said groups with an accuracy of up to 94%.

Technical-economic feasibility analysis of micro grids integrating fuel cells in non-interconnected zones in Colombia

Resumen La necesidad de proveer soluciones energéticas sostenibles para las zonas no interconectadas de Colombia, dependiendo de los recursos renovables disponibles en cada zona, supone un desafío respecto al análisis de viabilidad técnico-económica de las alternativas de solución a través de las microrredes. Este documento tiene como objetivo analizar el impacto técnico-económico de introducir celdas de combustible en la reducción de costos a lo largo del tiempo de vida de una microrred para zonas no interconectadas, empleando el software HOMER. Dicho impacto se evalúa tanto en el diseño técnico de la microrred como en el Valor Presente Neto y en el Costo nivelado de Energía ($/kWh). El análisis se realiza a partir de la cuantificación de la demanda de un poblado prototipo, el dimensionamiento y costo de las tecnologías que conforman la microrred para atender la demanda, y la disponibilidad de los recursos renovables solar y eólico de dos zonas localizadas en diferentes latitudes no interconectadas de Colombia. Adicionalmente, se analiza el efecto de introducir las celdas de combustible en el mix energético, resaltando las ventajas obtenidas al comparar cada caso frente a una generación tradicional basada en consumo de Diésel.

Abstract The sustainable power solutions provided to non-interconnected zones should be based on the renewable energy resources available in each area. This presents a challenge for the techno-economic feasibility of alternative solutions through micro grids. The objective of this work is to analyze, using HOMER software, the techno-economic impact of introducing fuel cells on cost reduction during the lifetime of micro grids in non-interconnected zones. Such impact is evaluated in the technical design of the micro grid as Present Value and Levelized Cost of Electricity ($/kWh). The analysis considers the calculation of the demand of a generic village, the size and cost of the technologies that constitute the micro grid to satisfy the demand, and the availability of solar and wind power in two areas located at different latitudes in Colombia. In addition, the effect of introducing fuel cells into the energy mix was examined. Finally, the advantages were highlighted by comparing each case with traditional generation alternatives based on diesel consumption.

A comparative study of hysteresis band PWM techniques for current control in shunt active power filters

Resumen El presente artículo evalúa el desempeño de un filtro activo empleando tres diferentes técnicas de control de corriente de banda de histéresis: banda fija, banda adaptativa y con modulación por vector espacial. En la comparación se estudian las características de cada técnica y mediante simulación se evalúa su desempeño y operación. En todos los casos se emplea la teoría pq para el cálculo de las corrientes de referencia y se emplea un controlador proporcional para regular la tensión del bus de continua. De acuerdo con los resultados, las técnicas PWM evaluadas permiten una reducción del contenido armónico de la corriente de la red de alimentación de 31 % sin compensación, a un 6 %, considerando el filtro activo de potencia. La técnica de banda adaptativa de histéresis presenta el más bajo desempeño en la reducción de armónicos en las corrientes de la red. Además, se tiene que el método de banda fija de histéresis es el más recomendado para aplicaciones de filtros paralelo debido a que posee una estructura más simple que permite su implementación. Los resultados tambien muestran que la técnica de banda adaptativa de histéresis es la que presenta mayor reducción en las variaciones de la frecuencia de conmutación, requiriendo mayor número de operaciones, ya que requiere calcular el ancho de banda en cada iteración. Mientras que la técnica de modulación por vector espacial y banda de histéresis presenta frecuencias de conmutación altamente variables y mayor complejidad en su implementación.

Abstract This paper evaluates the performance of an active power filter using three hysteresis band current control techniques: fixed-band, adaptive-band, and Space Vector Modulation. The characteristics of each method, along with their behaviour under different operating conditions, are studied by means of time domain simulations. The pq theory is used in all the cases to calculate the current reference, and a proportional controller is implemented to regulate the voltage in the dc bus. Based on the results, the PWM techniques evaluated in this work enable a reduction in the harmonic content of the supply grid currents that ranges from 31% without compensation to 6% after the active power filter is connected. The adaptive hysteresis band method exhibited the worst performance in the elimination of harmonics in grid currents; furthermore, it presented the largest reduction of variations in the switching frequency and requires more calculation time because the band width must be computed at each iteration. In turn, the fixed hysteresis band alternative is the most widely recommended for applications that involve parallel filters because it has a simpler structure that enables its implementation. Finally, the technique that combines space vector modulation and hysteresis band current control produced highly-variable switching frequencies and a more complex implementation.

Development of a small-scale residential microgrid prototype

Resumen Este artículo presenta el desarrollo de un emulador de una Micro-Red (MR) eléctrica residencial aislada, que incluye generación distribuida, en este caso fotovoltaica, almacenamiento de energía mediante baterías, y tecnología de vehículos eléctricos que permite suministrar energía a la red eléctrica (V2G). Se realizó un estudio para establecer las principales cargas en una instalación residencial y la prioridad que los usuarios le dan a cada una de ellas. Adicionalmente, se implementó un Sistema de Gestión Energética (SGE), el cual establece los criterios y parámetros de selección para determinar la fuente de energía adecuada en un momento dado y la operación de las cargas dependiendo de los recursos energéticos disponibles. Además, se presenta el diseño y dimensionamiento de los elementos de potencia que permiten suministrar energía a las cargas de la vivienda. Una vez implementado el emulador de micro-red residencial aislada, se realizaron diferentes pruebas, las cuales permiten verificar el correcto desempeño de los elementos del prototipo y del sistema de gestión de energía implementado. Los resultados permiten evidenciar que el emulador desarrollado es una poderosa herramienta académica y de investigación que permite la ejecución de múltiples pruebas y montajes experimentales que facilitan la comprensión y validación de cálculos y aproximaciones teóricas en el campo de micro-redes eléctricas aisladas.

Abstract This paper presents the development of an isolated residential microgrid (MR) emulator that includes distributed photovoltaic generation, energy storage using batteries, and electric vehicle technology supplying energy to the power grid (V2G). A study established the main loads in a residential facility and the priority that users give to each of them. Additionally, an energy management system (EMS) was implemented to define the selection criteria and parameters to determine the appropriate energy source at a given time and the operation of the loads according to the availability of energy. In addition, this article presents the design and sizing of the power elements that allow to supply energy to the residential loads. Once the emulator of the isolated residential microgrid was implemented, several laboratory tests were conducted. They enabled to verify the correct operation of the elements of the prototype and the implemented energy management system. The results show that the emulator developed in this work is a powerful academic and research tool that allows multiple tests and experimental setups that facilitate the understanding and validation of calculations and theoretical approximations in the field of isolated electrical microgrids.

Effect of storage time and packaging system on minimally processed green pepper (Capsicum annuum)

Resumen El pimentón verde es una Solanaceae cultivada en zonas tropicales y empleada como saborizante y colorante natural. Es considerado un vegetal perecedero, que por lo general es almacenado entre 7,5 - 8 °C, con el fin de evitar acelerar la transpiración del fruto y daños por frío, lo que a su vez afecta la coloración verde característica. En la actualidad, no se encuentran investigaciones sobre la degradación de pigmentos en el Pimentón Mínimamente Procesado (PMP), por lo tanto el objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de dos sistemas de envase y tiempo de almacenamiento sobre las características fisicoquímicas del PMP. Para ello, los frutos fueron almacenados sin envase (control), en polietileno de alta densidad (PEAD) y en polietileno de alta densidad con sellado al vacío (PEAD-V) en condiciones de refrigeración (9 °C y 45 %HR). Las variables evaluadas fueron pérdida de peso, pH, acidez titulable, concentración de clorofila total y carotenoides totales, en el día 0, 7 y 14 de almacenamiento. Los resultados indican que tanto el sistema de envase como el tiempo de almacenamiento tuvieron efecto significativo sobre las características de calidad evaluadas en PMP. Después de 14 días de almacenamiento los frutos de pimentón verde envasados en PEAD-V presentaron una retención del 62 % de las clorofilas, 75 % de los carotenoides totales y menor cambio de color (ΔE = 12) respecto al tiempo de almacenamiento 0. Con base en estos resultados se puede concluir que el envase PEAD-V puede ser una alternativa válida en la conservación del PMP.

Abstract Green peppers, a Solanaceae cultivated in tropical zones, are used as natural food coloring and flavoring. Considered perishable vegetables, they are usually stored between 7.5 and 8° C in order to avoid accelerating fruit transpiration and cold damage (chilling injury), which in turn affect their characteristic green coloration. At present, there are no studies available on the degradation of pigments in Minimally Processed Pepper (MPP). Therefore, the objective of this study was to evaluate the effect of two packaging systems and storage time on the physicochemical characteristics of MPP. For this purpose, the fruits were stored without packaging (control group), in high-density polyethylene (HDPE), and in high-density polyethylene with a vacuum seal (HDPE-V) under refrigeration conditions (9° C and 45% RH). The variables weight loss, pH, titratable acidity, total chlorophyll concentration, and total carotenoids were evaluated on days 0, 7 and 14 of storage. The results indicate that both packaging system and storage time had a significant effect on the quality characteristics of MPP. After 14 days of storage, the green pepper fruits packed in HDPE-V presented a retention of 62% of the chlorophylls, 75% of the total carotenoids, and less color change (ΔE = 12) with respect to time to storage time 0. Based on these results, it can be concluded that the HDPE-V container can be a suitable alternative to preserve MPP.

Compressed Earth Blocks (CEB) with bitumen emulsion

Resumen Los muros en tierra, presentan lesiones patológicas debido a su exposición al agua lluvia, y al agua proveniente del suelo. Además, por sus características de higroscopicidad los Bloques de Tierra Comprimida (BTC) presentan bajas resistencias a la penetración del agua y altos coeficientes de absorción capilar. Como alternativa para la reducción del coeficiente de absorción capilar e incremento de la resistencia a la penetración de agua se analizaron experimentalmente bloques de tierra comprimida adicionados con emulsión asfáltica en frío en proporciones del 0 %, 25 %, 50 %, 75 % y 100 %, respecto al peso del agua. Se estudió para cada una de las muestras la absorción capilar, resistencias a la compresión y penetración de humedad con el fin de evaluar la proporción optima de adición. Como resultado de la experimentación se determinó que los BTC adicionados con un 50 % de emulsión asfáltica presentan las mejores características de protección contra la humedad garantizando la resistencia a compresión necesaria para su uso en la construcción.

Abstract Walls made of soil present serious failures due to their exposure to rain and groundwater. In addition, due to their hygroscopic characteristics, compressed earth blocks (CEBs) present low resistance to water penetration and high capillary absorption coefficients. Therefore, CEBs combined with a cold asphalt emulsion were experimentally analyzed as an alternative to reduce their capillary absorption coefficient and improve their resistance to water penetration. The emulsion was incorporated in proportions of 25%, 50%, 75% and 100% with respect to the weight of water. The capillary absorption, resistance to compression, and moisture penetration of each sample were studied in order to calculate the optimal proportion of the mixture. Based on the results, CEBs with 50% asphalt emulsion exhibit the best characteristics of protection against humidity, thus guaranteeing the compressive strength required for traditional construction.

Influence of local values on cD-optimal designs for logistic models

Resumen En el diseño de experimentos es común el no uso de criterios para determinar los tratamientos y el número de réplicas que se deben realizar para la obtención de una buena estimación de los parámetros del modelo, debido principalmente al desconocimiento de estos y en muchas otras ocasiones por la dificultad en implementarlos. Los diseños óptimos tratan de resolver esta falencia al dar condiciones experimentales óptimas y los niveles de los factores donde se debe medir la respuesta, con el fin de obtener una mejora en la calidad de la inferencia estadística a un menor costo. En la búsqueda de diseños óptimos se utilizan criterios de optimalidad, los cuales son función de la matriz de información de Fisher. Uno de los problemas de estimación más frecuente en los modelos no lineales es la especificación de los valores locales para los parámetros del modelo, necesarios para la optimización del criterio de optimalidad. En este artículo se realiza un estudio de robustez de los diseños óptimos obtenidos en el modelo logístico, al considerar perturbaciones en los valores locales de los parámetros, con el fin de proporcionar al investigador un rango de maniobrabilidad en la selección de los valores locales y garantizando que el diseño óptimo resultante no pierda una eficiencia considerable con respecto al valor de referencia. Para ello, a partir de los datos de un ejemplo, se encuentran las eficiencias de cada uno de los diseños obtenidos con relación al valor sin perturbar; se construyen los diseños cD-óptimos locales para la estimación de la varianza del logit, se determinó que la magnitud de la perturbación en los diseños cD-óptimos locales obtenidos alcanzan una eficiencia alrededor de un 70 %, con un radio de 0.04 de perturbación sobre el valor de referencia.

Abstract When experiments are designed, it is uncommon to use criteria to determine the treatments and number of replicates that should be conducted to properly estimate the parameters in the model under study. This is mainly due to a lack of knowledge of said criteria and, in many other cases, to the difficulty of interpreting them. Optimal designs try to overcome this difficulty by providing optimal experimental conditions and factor levels whose response should be evaluated in order to improve the quality of the statistical inference at a lower cost. Said designs also use optimality criteria, which are functions of the Fisher-information matrix. One of the most common estimation problems in nonlinear models is specifying local values for the parameters of the model, which is necessary to minimice the optimality criterion. This work examines the robustness of optimal designs obtained from logistic models when perturbations in the local values of the parameters are considered. The objective is to provide researchers with a wide range of action to select local values while guaranteeing that the efficiency of the resulting optimal designs is not considerably compromised compared to reference values. For that purpose, based on the data of an example, the efficiency of each resulting design was contrasted with the efficiency of unperturbed values. Furthermore, cD-optimal designs were created to estimate the logit variance. The impact of said perturbations on local cD-optimal designs resulted in an efficiency of approximately 70%, with a range of 0.04 of perturbation above the reference value.