Ciencia e Ingeniería Neogranadina

Special Issue in Electrical and Telecommunications Engineering, and Computer Science

Impact of Interchannel Interference in Gridless Nyquist-WDM Systems with and without Nonlinear Impairment Compensation

Abstract: This paper presents a characterization of interchannel interference (ICI) effects in gridless Nyquist-WDM systems due to two contributions, namely, overlapping among optical carriers and stimulation of nonlinear optical fiber impairments. ICI is assessed regarding bit error rate (BER) at 16 and 32 Gbaud, as a function of several system parameters. Nonlinear impairment compensation based on the digital back-propagation algorithm is implemented in the DSP-based coherent receiver. Results demonstrated that ICI due to channels overlapped has a higher impact concerning BER than nonlinear optical fiber impairments. Besides, the use of the back-propagation algorithm improves system performance, reducing up to 3 and 0.7 orders of magnitude of BER in QPSK and 16QAM cases, respectively. It means that this algorithm can minimize nonlinear effects under varying system parameters, but its performance is limited in sub-Nyquist cases.

Resumen: en este artículo, se presenta una caracterización sistemática de los efectos de la interferencia intercanal (ICI) en sistemas Nyquist-wdm debido a dos contribuciones: i) traslape espectral de las portadoras y ii) estimulación de los efectos no lineales de la fibra óptica. La ICI se evalúa en términos de la tasa de error de bit (VER) a 16 Gbaudios y 32 Gbaudios, como función de la potencia de diversos parámetros del sistema. Se implementa en el dsp del receptor coherente un ecualizador no lineal basado en el algoritmo backpropagation, para compensar los efectos no lineales en la señal recibida. Los resultados demostraron que la ICI debido a los canales traslapados tiene mayor impacto en la BER que la ICI debido a las no linealidades de la fibra óptica sin traslape. Además, el ecualizador no lineal mejora el desempeño del sistema al reducir la BER hasta 3 y 0.7 órdenes de magnitud para QPSK y 16QAM, respectivamente. Esto significa que el algoritmo backpropagation puede minimizar efectos no lineales de la ICI bajo variaciones en los parámetros del sistema, pero su desempeño se limita en escenarios con espaciamiento espectral sub-Nyquist.

Design of a Flattening Filter Using Fiber Bragg Gratings for EDFA Gain Equalization: An Artificial Neural Network Application

Abstract: This paper presents a proposal for the non-uniform gain compensation of an Erbiumdoped fiber optic amplifier (EDFA) in a Wave-length Division Multiplexed (WDM) system using Fiber Bragg Gratings (FBG). In this proposal, the multilayer perceptron feed-forward artificial neural network with backpropagation was trained under the secant method (one-step secant) and was selected according to mean square error measurement. The proposal optimizes FBG parameters such as center frequency, rejection level and length in order to determine a filtering response based on a reduced number of FBGs that will be used to flatten the non-linear response of the amplifier gain and avoid the per-carrier treatment of a standard flattening filter. While an artificial neural network with a 7-10-6 structure demonstrated the feasibility of equalizing the gain of an EDFA using as few as three FBGs, a 25-18-12 structure improved the results when the configuration consisted of an FBG array of six resonances that provided similar results to that featured by the standard gain-flattening filter. The proposal was evaluated in an amplified WDM system of eight optical carriers located between 195-196.4 THz.

Resumen: este artículo presenta una propuesta para la compensación de la ganancia no uniforme de los amplificadores ópticos de fibra dopada con Erbio (EDFA) en sistemas multiplexados por longitud de onda (WDM) usando redes de difracción de Bragg (FBG). En esta propuesta las redes neuronales artificiales tipo perceptrón multicapa con propagación hacia atrás (feed-forward backpropagation) se entrenaron bajo el método de la secante (one-step secant) y se seleccionaron según error cuadrático medio. La propuesta optimiza los parámetros del FBG, como la frecuencia central, el nivel de rechazo y la longitud para determinar una respuesta de filtrado basada en un número reducido de FBG que se utilizarán para aplanar la respuesta no lineal de la ganancia del amplificador y evitar el tratamiento por portadora de un filtro de aplanamiento estándar. Mientras que una red neuronal artificial con una estructura de 7-10-6 demostró la viabilidad de igualar la ganancia de un EDFA utilizando tan solo tres FBG, una estructura de 25-18-12 mejoró los resultados cuando la configuración consistió en un arreglo de seis FBG que proporcionaron resultados similares a los que ofrece el filtro estándar de aplanamiento de ganancia. La propuesta se evaluó en un sistema WDM amplificado de ocho portadoras ópticas ubicados entre 195 THz y 196,4 THz.

Artificial Neural Model based on radial basis function networks used for prediction of compressive strength of fiber-reinforced concrete mixes

Resumen: existe una relación compleja y no lineal entre los factores que influyen en la resistencia de diseño y la compresión de hormigones reforzados con fibras de acero. La relación entre las variables de entrada, los factores y la variable de salida, y la resistencia de diseño a la compresión puede ser obtenida por un modelo neuronal artificial, cuyas características sean autoadaptación, autoestudio y mapeo no lineal. En este documento se presenta la elaboración de un modelo neuronal artificial basado en redes neuronales de funciones de base radial. La resistencia de diseño a la compresión en dosificaciones de mezclas de hormigón reforzados con fibras de acero es estimada, predicción que se analiza a partir del coeficiente de correlación R al compararse con los valores reales de la resistencia. Los resultados muestran que los valores estimados usando las redes de base radial coinciden con los valores experimentales, y la capacidad de predicción de la propiedad mecánica del modelo neuronal es mejor que la de otros modelos basados en redes multicapas desarrollados por los autores. El entrenamiento de los modelos neuronales permitió concluir que el uso de relaciones de los materiales es un indicador más adecuado para la comparación entre diferentes dosificaciones de mezclas de hormigón que llevan a similares resistencias a la compresión. Así, se potencia una agenda futura en la generación de nuevos métodos de estudio de la resistencia de diseño a la compresión en hormigones reforzados con fibras metálicas en el campo de la ingeniería.

Abstract: A complex nonlinear relationship exists between the factors influence the compressive design strength of steel fiber reinforced concrete. This relation between input variables, the factors, and the output variable as it is the compressive design strength can be obtained by using an artificial neural model, which has characteristics of self-adapting, self-study and nonlinear mapping. An application of a radial basis function artificial neural model is presented in this paper. Compressive design strengths of steel fiber reinforced concrete endured mixes with diverse proportioning was predicted and compared with the experimental measured results. The predicted values were analyzed by R lineal correlation factor. The results showed that the predicted values based on radial basis function networks presented coincidence with the experimental values, and the predictability of the mechanical property of the neural model is better than that of the multi-layer neural models developed previously by the authors. The training of the neural models allowed us to conclude that the use of materials relationships is a better indicator for the comparison between different dosages of concrete mixtures that lead to similar compression strengths. A future agenda is opened in the generation of new methods of studying in metal fiber reinforced concretes compression design strength reinforced in the field of engineering.

Simulation of physical habitat in Ayuquila-Armeria river in the west of Mexico

Resumen: en México, en 2012, se publicó una norma para la determinación del caudal ecológico en los ríos y arroyos que han sido severamente degradados por el desvió de agua de estos para actividades productivas, principalmente agropecuarias e industriales. Esta norma considera la simulación del hábitat físico como una medida para la determinación del caudal dentro del Instream Flow Incremental Methodology (IFIM). En este estudio, fueron generadas las simulaciones de hábitat físico, combinadas con las curvas de idoneidad de peces. Para generar las simulaciones de hábitat, se seleccionó un tramo de río de 706 metros, donde se midieron los parámetros de profundidad, velocidad y tipo de sustrato. Se usó el software iRIC 1.5 para calibrar y simular los caudales con el hábitat físico, donde la principal entrada de información fue un levantamiento topográfico del río y la construcción de las curvas de idoneidad de las especies de peces seleccionadas. Como resultado se obtuvieron simulaciones a diferente caudal y diferente hábitat potencial útil (HPU) para cada una de las especies de interés. Los resultados mostraron que cuando cae el caudal a caudales inferiores a 1 (m3 s-1) y superiores a los 200 (m3 s-1), hay decaimiento del HPU, muy pobre para las cuatro especies. Pocos estudios en Latinoamérica se han desarrollado para este tipo de análisis, por lo que esta investigación contribuye a proceso metodológico que ayudará a mejorar la investigación de caudal ambiental en ríos.

Abstract: In Mexico, until 2012 was published a norm for the determination of the ecological flow in rivers and streams, which have been severely degraded by water diversion for agricultural and industrial activities. This standard considers the simulation of the physical habitat as a measure for the determination of the flow within the Instream Flow Incremental Methodology (IFIM). In this study, simulations of physical habitat were generated, combined with fish fitness curves. To generate the habitat simulations, a section of river with 706 meters was selected, where the parameters of depth, speed and type of substrate were measured. The iRIC 1.5 software was used to calibrate and simulate the flows with the physical habitat, where the main information input was a topographic survey of the river, and the construction of the suitability curves for the selected fish species. As a result, simulations were obtained at different flow rates and different Weighted Usable Area (WUA) for each of the species of interest. The results showed us that when the flow falls at lower flow rates lower than 1 (m3 s-1) and higher than 200 (m3 s-1), it shows a very poor WUA decay for the four species. Few studies in Latin America have been developed for this type of analysis, so this study contributes significantly as a methodological process that will help improve the research of environmental flow in rivers.

Multitemporal analysis of the flow of sediments using modis MYD09 and MOD09 images

Resumen: en el presente artículo se muestra la elaboración de un modelo empírico aplicado a las imágenes MODIS MYD09 y MOD09 con base en muestras in situ de sólidos suspendidos totales (tss) que se tomaron en las aguas del golfo de Urabá (Colombia) entre 2011 y 2015. Se analizó la variabilidad espacial y temporal a escala anual y mensual de los sedimentos, lo que mostró una diferencia marcada durante las dos temporadas climáticas (de lluvia y sequia), en la concentración y en la dirección de la pluma de sedimentación. El mejor modelo aplicado sobre las imágenes para la recuperación de los tss es la forma funcional polinómica de grado 3 que relaciona la sedimentación con la reflectancia de la banda 2, aplicadas en las imágenes MYD09. Dentro de los resultados obtenidos hay valores promedio anuales superiores a los 100mgL-1 en la bahía El Rotico, debido a los aportes dados por el río Atrato en la boca El Roto y de concentración alta de sedimentos en bahía Colombia durante el primer trimestre del ano, sobre todo por la dirección de los vientos (=150 mgL-1). La investigación permite mostrar las bondades del tratamiento digital de imágenes para recuperar la sedimentación a partir de datos de color del océano, con el propósito de obtener resultados pertinentes que ayuden a realizar un análisis de los flujos de sedimentación en el interior del golfo, sobre todo porque se constituye en un lugar de importancia ecológica por su gran biodiversidad marina y donde el conocimiento de la dinámica y concentración de los sedimentos es escaso.

Abstract: In this article, we show the development of an empirical model applied to the MODIS MYD09 and MOD09 images based on in-situ samples of total suspended solids (TSS) taken in the waters of the Gulf of Urabá (Colombia) between 2011 and 2015. The spatial and temporal variability at the annual and monthly scale of the sediments was analyzed, showing a marked difference during the two climatic seasons (of rain and drought) both in the concentration and in the direction of the sedimentation plume. The best model applied to the images for the recovery of the TSS was the polynomial functional form of grade 3 that relates the sedimentation with the reflectance of band 2 applied in the MYD09 images. Among the results obtained, it is found that there are annual average values higher than 100mgL-1 in El Rotico Bay due to the contributions given by the Atrato River in the El Roto mouth and high sediment concentration in Bahia Colombia during the first quarter of the year mostly because of the direction of the winds. The research allows us to show the benefits of digital image processing to retrieve ocean color data such as sedimentation, in order to obtain relevant results that allow an analysis of the sedimentation flows within the gulf, especially because it is constituted a place of ecological importance for its great marine biodiversity and where knowledge of the dynamics and concentration of sediments is scarce.

Numerical simulation of an acoustic tube

Resumen: en este trabajo se presenta un método de diferencias finitas escalonado para analizar y simular la generación y el comportamiento de ondas sonoras en el interior de un tubo. Luego, se describe un tratamiento numérico especial de las condiciones de frontera que modelan fenómenos de reflexión y transmisión a partir del concepto de impedancia acústica. Mediante un muestreo exhaustivo de frecuencias y la transformada rápida de Fourier (FFT), se realiza un análisis modal cuando el aire en el interior del tubo es sometido a perturbaciones armónicas y aleatorias. Por último, se analiza el comportamiento del factor de calidad del sistema acústico y se confirma su carácter exponencial, así como su dependencia de la impedancia acústica. Los resultados muestran la utilidad del método en la simulación de fenómenos acústicos como reflexión, transmisión, disipación de ondas sonoras y resonancia en dominios acotados. El método propuesto permite analizar casos generales como la dispersión de ondas sonoras no armónicas.

Abstract: In this work, we introduce a staggered finite difference method to analyze and simulate the generation and behavior of sound waves inside a tube. We describe a special numerical treatment on the boundary conditions which model reflection and transmission phenomena by means of the acoustic impedance concept. Through an exhaustive sampling of frequencies and the fast Fourier transform (FFT) a modal analysis is performed when the air inside the tube is subjected to both harmonic and random disturbances. Finally, we analyze the quality factor behavior of the acoustic system to confirm its exponential character as well as its dependence on the acoustic impedance. The results show the utility of the method in the acoustic phenomena simulation such as reflection, transmission, dissipation of sound waves and resonance in bounded domains. The propose method allows analyzing general cases such as the dispersion of non-harmonic sound waves.

Complementarity of energy resources for the electrical generation: a review

Resumen: ante las necesidades de aumentar los índices de cobertura eléctrica, generar medidas para la adaptación al cambio climático y diversificar la matriz energética de los países, se han desarrollado diversos estudios para establecer la complementariedad entre recursos energéticos. En este sentido, este documento presenta una revisión bibliográfica de algunas regiones a nivel mundial, para evidenciar las iniciativas investigativas alrededor del estudio de la complementariedad energética. Esta revisión incluye estudios que, además de establecer la complementariedad entre recursos solares, eólicos e hídricos, incluyen demanda, precios de electricidad, etcétera. De los resultados obtenidos se destaca que, si bien diversos estudios realizados en todo el mundo han demostrado que la mayor parte de la producción de sistemas de energía renovable presenta una naturaleza variable y, en parte, impredecible, hacer uso de más de un tipo de energía renovable mejora el rendimiento de estos sistemas, disminuye las fluctuaciones en la generación y aumenta la confiabilidad del sistema. Asimismo, se encuentra que el método más utilizado para la evaluación de complementariedad energética es el factor de correlación. Otros métodos incluyen simulaciones, aplicación de modelos y algoritmos de optimización. La información insumo para la realización de estos estudios proviene de los registros de los sistemas eléctricos de potencia de los países, de la aplicación de modelos de predicción meteorológica, de datos climatológicos históricos procedentes de satélites o de mediciones de estaciones meteorológicas, entre otros. Para Colombia se observan oportunidades de generar conocimiento alrededor de la complementariedad de los recursos energéticos.

Abstract: Given the needs to increase the rates of electricity coverage, to generate measures to adapt the Climate Change and to diversify the Matrix Energy in the countries, there have been developed a lot of studies to establish the complementarity of energy resources. In that sense, this document presents a literature review of some regions worldwide, to highlight the research initiatives around the study of energy complementarity. This review includes studies about establishing the complementarity of solar, wind and water resources, and includes demand, electricity prices, etc. Among the results found, it is noted that although several studies conducted around the world have shown that most of the renewable energy production systems has a variable and unpredictable nature, make use of more than one type of renewable energy improves the performance of those systems, it decreases the generation fluctuations and increases the system reliability. Also, it is found that the correlation factor is the most used method for the evaluation of energy complementarity. Other methods include simulations, model application, optimization algorithms, etc. In the same way, the input information for the realization of these studies comes from the registries of the electrical power systems of the countries, from the application of meteorological prediction models, from historical climatological data coming from satellites or from measurements of meteorological stations, among others. There are opportunities observed in Colombia to generate knowledge aboutcomplementarity between energy resources.

Use of energy storage systems in the optimal operation of distribution networks

Resumen: en este artículo se propone una metodología para la compra y venta de energía que considera elementos almacenadores de energía en la operación de sistemas de distribución de energía eléctrica, y su objetivo es mejorar las utilidades del operador de red con un adecuado manejo de la curva de carga. En la formulación del problema son propuestos dos modelos matemáticos cuya función es minimizar el costo de compra de la energía eléctrica. El primer modelo (lineal) incluye la compra de energía y el segundo (no lineal) considera, además de lo anterior, las pérdidas técnicas de energía del sistema de distribución. Ambos modelos matemáticos consideran restricciones operativas de los almacenadores de energía y de la red de energía eléctrica. La metodología propuesta puede ser usada por los operadores de red como una estrategia para la compra y venta de energía; además, proporciona una herramienta matemática que puede ser aplicada en la operación y el planeamiento de sistemas de distribución de energía, considerando elementos almacenadores de energía. La metodología propuesta es verificada empleando dos sistemas de prueba de diferente tamaño, con lo cual se obtienen resultados que corroboran un beneficio económico cuando se usan almacenadores de energía en la operación de los sistemas de distribución.

Abstract: This paper proposes a methodology for the purchase and sale of energy which consider energy storage elements in the operation of distribution systems and whose objective is to improve the utilities of the network operator by the load curve management. In the formulation of the problem are proposed two mathematical models whose objective function is the minimization of the cost of the purchase of electric energy. The first (linear) model includes the purchase of energy and the second (non-linear) considers, in addition to the above, the energy losses of the distribution system. Both mathematical models consider operational restrictions on energy storage and electrical power grid. The proposed methodology can be used by network operators as a strategy for the purchase and sale of energy, additionally is proposed a mathematical tool that can be applied in the operation and planning of distribution systems with energy storage elements. The proposed methodology is verified using test systems of different sizes, obtaining results that corroborate an economic benefit when energy storage is used in the operation of the distribution systems.