Дисертації з теми "378.096:621.3"

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата педагогічних наук зі спеціальності 13.00.04 – теорія і методика професійної освіти. – Класичний приватний університет. – Запоріжжя, 2011. У дисертації розглянуто питання формування управлінської компетентності у вищому технічному закладі. Уточнено поняття "компетентність", "управлінська компетентність". Визначено основні структурні компоненти управлінської компетентності у майбутніх інженерів електромашинобудівного напряму. Виокремлено комплекс педагогічних умов формування управлінської компетентності. В результаті експериментальної перевірки педагогічних умов встановлено, що впровадження авторської моделі та певних педагогічних умов сприяє формуванню управлінської компетентності випускників електромашинобудівних спеціальностей технічних університетів.
The dissertation on gaining of a candidate’s scientific degree of pedagogical sciences on a speciality 13.00.04 – theory and method of professional education. – Classic Private University. – Zaporozhye, 2011. In the dissertation the issues of formation of the managerial competence in the higher technical establishment are considered. The concept of "competence", "managerial competence" are clarified. The basic structural components of the managerial competence of the future engineers of electromachinebuilding directions are covered. The complex of pedagogical conditions for the managerial competence formation is determined. In the course of the experimental validation of the pedagogical conditions it is established that the introduction of author’s model and certain pedagogical conditions leads to formation of the managerial competence of the graduates of electromachinebuilding specialties of technical universities.

A thorough review of the state of the art will reveal that most VANET applications rely on Public Key Infrastructure (PKI), which uses user certificates managed by a Certification Authority (CA) to handle security. By doing so, they constrain the ad-hoc nature of the VANET imposing a frequent connection to the CA to retrieve the Certificate Revocation List (CRL) and requiring some degree of roadside infrastructure to achieve that connection. Other solutions propose the usage of group signatures where users organize in groups and elect a group manager. The group manager will need to ensure that group members do not misbehave, i.e., do not spread false information, and if they do punish them, evict them from the group and report them to the CA; thus suffering from the same CRL retrieval problem. In this thesis we present a fourfold contribution to improve security in VANETs. First and foremost, Chains of Trust describes a reputation system where users disseminate Points of Interest (POIs) information over the network while their privacy remains protected. It uses asymmetric cryptography and users are responsible for the generation of their own pair of public and private keys. There is no central entity which stores the information users input into the system; instead, that information is kept distributed among the vehicles that make up the network. On top of that, this system requires no roadside infrastructure. Precisely, our main objective with Chains of Trust was to show that just by relying on people¿s driving habits and the sporadic nature of their encounters with other drivers a successful reputation system could be built. The second contribution of this thesis is the application simulator poiSim. Many¿s the time a new VANET application is presented and its authors back their findings using simulation results from renowned networks simulators like ns-2. The major issue with network simulators is that they were not designed with that purpose in mind and handling simulations with hundreds of nodes requires a massive processing power. As a result, authors run small simulations (between 50 and 100 nodes) with vehicles that move randomly in a squared area instead of using real maps, which rend unrealistic results. We show that by building tailored application simulators we can obtain more realistic results. The application simulator poiSim processes a realistic mobility trace produced by a Multi-agent Microscopic Traffic Simulator developed at ETH Zurich, which accurately describes the mobility patterns of 259,977 vehicles over regional maps of Switzerland for 24 hours. This simulation runs on a desktop PC and lasts approximately 120 minutes. In our third contribution we took Chains of Trust one step further in the protection of user privacy to develop Anonymous Chains of Trust. In this system users can temporarily exchange their identity with other users they trust, thus making it impossible for an attacker to know in all certainty who input a particular piece of information into the system. To the best of our knowledge, this is the first time this technique has been used in a reputation system. Finally, in our last contribution we explore a different form of communication for VANETs. The vast majority of VANET applications rely on the IEEE 802.11p/Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) standard or some other form of radio communication. This poses a security risk if we consider how vulnerable radio transmission is to intentional jamming and natural interferences: an attacker could easily block all radio communication in a certain area if his transmitter is powerful enough. Visual Light Communication (VLC), on the other hand, is resilient to jamming over a wide area because it relies on visible light to transmit information and ,unlike WAVE, it has no scalability problems. In this thesis we show that VLC is a secure and valuable form of communication in VANETs.

Electrowetting technology, known since more than 100 years, just recently was successfully applied for the fabrication of devices such as pixels, liquid lenses and µTas (micro total analysis systems). Some of those devices are already a market product and some others are expected to reach the maturity to be marketed in the short period, although some fundamental aspects of the electrowetting phenomenon are not yet clear, like the origin of the saturation and the driving forces that lead to a contact angle variation. In the dissertation are presented several contributions to the electrowetting technology. First, have been reported the preliminary evidences about the contactless variation of the contact angle. Furthermore, these phenomena have been studied deeply and rigorous experimental work has been performed. Experimental data have been cross checked with simulations results and theoretical calculations. Finally, the results of the contactless electrowetting experiments lead us to be able to state that the driving element of the contact angle variation is the charge. Contactless electrowetting method has also unlocked the possibility to experimentally measure the impact of surrounding humidity in electrowetting dynamics and the limitations that introduce in the saturation of contact angle. The relationship between relative humidity and saturation contact angle resulted to be directly proportional and in line with the Peek¿s law prediction, here applied to a system in the micro scale. Therefore the last part of the dissertation was dedicated to the study of the charge driving of an electrowetting device in order to be able to control and predict the contact angle dynamics. As additional results it has been found that charge injection rate affects the speed of the contact angle variation, with negligible effects on the contact angle saturation. Cross checking the experimental results with theoretical predictions it has been found that the approximation of a droplet to a spherical cap gives a very good result while no clear contributions could be given to the saturation problem, leaving it open and without any clear solution, so far. Additionally, in this work contains a comprehensive review of state of the art of electrowetting technology and a detailed description of the multiphysic simulation method used.
La tecnología "Electrowetting", conocida desde hace más de 100 años, solo recientemente ha podido ser aplicada con éxito a dispositivos como pixeles, lentes líquidas y µTas (sístemas integrados de análisis). Algunos de estos productos ya se encuentran en el mercado, otros estan a punto de llegar a la madurez necesaria para ser comercializados, aún así, muchos aspectos fundamentales del fenomeno del "electrowetting" no están del todo claros, por ejemplo, el origen de la saturación del ángulo de contacto y las fuerzas que inducen la variación de este ángulo. En este trabajo de investigación se presentan varias contribuciones para entender mejor la technología "electrowetting". Primero, se han presentado evidencias preliminares de la variación "sin contacto" de ángulo de contacto. A continuación, estas observaciones han sido estudiadas profunda y rigurosamente con trabajo experimental. Finalmente, los resultados experimentales del electrowetting sin contacto han permitido entender que lo que induce la variación del ángulo de contacto es la carga. El "electrowetting" sin contacto permite la medida experimental del impacto de la húmedad de la atmosfera en las dinámicas del "electrowetting" y las limitaciones que ésta induce en el ángulo de contacto final. La relación entre la húmedad relativa del átmosfera y la saturación del ángulo de contacto es directa: contra más húmedad, más alto es el ángulo en saturación, en linea con las predicciones de la ley de Peek, en este caso, aplicado a microescala. La última parte del trabajo se ha dedicado a estudiar el control en carga de un dispositivo electrowetting para poder predecir y controlar las dinámicas de variación del ángulo de contacto. Como resultado adicional, se ha visto que el control de inyección de carga afecta la velocidad de variación del ángulo de contacto, con efectos segundarios despreciables en el ángulo final en saturación. Cruzando los resultados experimentales con las predicciones teóricas ha sido verificado que la aproximación de la gota a un casquete esférico da buenos resultados teóricos mientras no se ha podido dar ninguna contribución clara para la resolución del problema del ángulo de contacto, dejando abierto el tema. En este trabajo contiene además una revisión del estado del arte de la tecnología electrowetting y una descripción detallada del método de simulación multifísica usado.

This work deals with the research on organic solar cells based on small-molecules semiconductors. In particular, organic solar cells of this thesis have been used tetraphenyldibenzoperiflanthene as donor material and fullerene C70 as acceptor material. In the first part of this thesis, we focus on the influence of the density of states of the donor layer on the characteristic parameters of solar cells. Further, organic solar cells with p-i-n structure are presented, where the intrinsic layer is obtained by coevaporation of donor and acceptor. The influence of the thickness of the intrinsic layer on the p-i-n solar cell characteristic is analysed. In the second part, an equivalent circuit for organic solar cells is presented. A new term is added to the standard model representing recombination losses in the active layer of the device. The analysis of the characteristics of current - voltage measured at different illumination intensities allows the estimation of the term recombination. The model clearly separates technological issues (series and parallel resistance) from effects related to the physics of the device (recombination losses). It also allows obtaining an effective mobility-lifetime product in the active layer of the device to be determined, characterising its state of degradation.
En aquesta tesi s’investiguen cèl·lules solars orgàniques basades en semiconductors de petita molècula. En particular, les cèl·lules solars orgàniques d’aquesta tesi han emprat tetraphenyldibenzoperiflanthene com material donador i ful·lerè C70 com material acceptador. En la primera part d'aquesta tesi, ens centrem en la influència de la densitat d'estats de la capa donadora en els paràmetres característics de les cèl·lules solars. Més endavant, es presenten cèl·lules solars orgàniques amb una estructura p-i-n, on la capa intrínseca s'obté per l'evaporació conjunta del donador i l’acceptador. S'analitza la influència del gruix de la capa intrínseca de la cèl·lula solar p-i-n en la característica de la cèl·lula solar. En la segona part, es presenta un circuit equivalent per a les cèl·lules solars orgàniques. S'afegeix un nou terme en el model estàndard que representa les pèrdues de recombinació a la capa activa del dispositiu. L’anàlisi de les característiques de corrent-tensió mesurades a diferents intensitats de llum permeten l'estimació del terme de recombinació. El model separa clarament les qüestions tecnològiques (resistències en sèrie i en paral·lel) dels efectes relacionats amb la física del dispositiu (pèrdues de recombinació). També permet l’obtenció d’un producte de la mobilitat - temps de vida efectiu a la capa activa del dispositiu a ser determinat, la caracterització del seu estat de degradació.

This PhD dissertation describes the research and development of a new low-cost medium wavelength infrared MWIR monolithic imager technology for high-speed uncooled industrial applications. It takes the baton on the latest technological advances in the field of vapour phase deposition (VPD) PbSe-based medium wavelength IR (MWIR) detection accomplished by the industrial partner NIT S.L., adding fundamental knowledge on the investigation of novel VLSI analog and mixed-signal design techniques at circuit and system levels for the development of the readout integrated device attached to the detector. The work supports on the hypothesis that, by the use of the preceding design techniques, current standard inexpensive CMOS technologies fulfill all operational requirements of the VPD PbSe detector in terms of connectivity, reliability, functionality and scalability to integrate the device. The resulting monolithic PbSe-CMOS camera must consume very low power, operate at kHz frequencies, exhibit good uniformity and fit the CMOS read-out active pixels in the compact pitch of the focal plane, all while addressing the particular characteristics of the MWIR detector: high dark-to-signal ratios, large input parasitic capacitance values and remarkable mismatching in PbSe integration. In order to achieve these demands, this thesis proposes null inter-pixel crosstalk vision sensor architectures based on a digital-only focal plane array (FPA) of configurable pixel sensors. Each digital pixel sensor (DPS) cell is equipped with fast communication modules, self-biasing, offset cancellation, analog-to-digital converter (ADC) and fixed pattern noise (FPN) correction. In-pixel power consumption is minimized by the use of comprehensive MOSFET subthreshold operation. The main aim is to potentiate the integration of PbSe-based infra-red (IR)-image sensing technologies so as to widen its use, not only in distinct scenarios, but also at different stages of PbSe-CMOS integration maturity. For this purpose, we posit to investigate a comprehensive set of functional blocks distributed in two parallel approaches: • Frame-based “Smart” MWIR imaging based on new DPS circuit topologies with gain and offset FPN correction capabilities. This research line exploits the detector pitch to offer fully-digital programmability at pixel level and complete functionality with input parasitic capacitance compensation and internal frame memory. • Frame-free “Compact”-pitch MWIR vision based on a novel DPS lossless analog integrator and configurable temporal difference, combined with asynchronous communication protocols inside the focal plane. This strategy is conceived to allow extensive pitch compaction and readout speed increase by the suppression of in-pixel digital filtering, and the use of dynamic bandwidth allocation in each pixel of the FPA. In order make the electrical validation of first prototypes independent of the expensive PbSe deposition processes at wafer level, investigation is extended as well to the development of affordable sensor emulation strategies and integrated test platforms specifically oriented to image read-out integrated circuits. DPS cells, imagers and test chips have been fabricated and characterized in standard 0.15μm 1P6M, 0.35μm 2P4M and 2.5μm 2P1M CMOS technologies, all as part of research projects with industrial partnership. The research has led to the first high-speed uncooled frame-based IR quantum imager monolithically fabricated in a standard VLSI CMOS technology, and has given rise to the Tachyon series [1], a new line of commercial IR cameras used in real-time industrial, environmental and transportation control systems. The frame-free architectures investigated in this work represent a firm step forward to push further pixel pitch and system bandwidth up to the limits imposed by the evolving PbSe detector in future generations of the device.
La present tesi doctoral descriu la recerca i el desenvolupament d'una nova tecnologia monolítica d'imatgeria infraroja de longitud d'ona mitja (MWIR), no refrigerada i de baix cost, per a usos industrials d'alta velocitat. El treball pren el relleu dels últims avenços assolits pel soci industrial NIT S.L. en el camp dels detectors MWIR de PbSe depositats en fase vapor (VPD), afegint-hi coneixement fonamental en la investigació de noves tècniques de disseny de circuits VLSI analògics i mixtes pel desenvolupament del dispositiu integrat de lectura unit al detector pixelat. Es parteix de la hipòtesi que, mitjançant l'ús de les esmentades tècniques de disseny, les tecnologies CMOS estàndard satisfan tots els requeriments operacionals del detector VPD PbSe respecte a connectivitat, fiabilitat, funcionalitat i escalabilitat per integrar de forma econòmica el dispositiu. La càmera PbSe-CMOS resultant ha de consumir molt baixa potència, operar a freqüències de kHz, exhibir bona uniformitat, i encabir els píxels actius CMOS de lectura en el pitch compacte del pla focal de la imatge, tot atenent a les particulars característiques del detector: altes relacions de corrent d'obscuritat a senyal, elevats valors de capacitat paràsita a l'entrada i dispersions importants en el procés de fabricació. Amb la finalitat de complir amb els requisits previs, es proposen arquitectures de sensors de visió de molt baix acoblament interpíxel basades en l'ús d'una matriu de pla focal (FPA) de píxels actius exclusivament digitals. Cada píxel sensor digital (DPS) està equipat amb mòduls de comunicació d'alta velocitat, autopolarització, cancel·lació de l'offset, conversió analògica-digital (ADC) i correcció del soroll de patró fixe (FPN). El consum en cada cel·la es minimitza fent un ús exhaustiu del MOSFET operant en subllindar. L'objectiu últim és potenciar la integració de les tecnologies de sensat d'imatge infraroja (IR) basades en PbSe per expandir-ne el seu ús, no només a diferents escenaris, sinó també en diferents estadis de maduresa de la integració PbSe-CMOS. En aquest sentit, es proposa investigar un conjunt complet de blocs funcionals distribuïts en dos enfocs paral·lels: - Dispositius d'imatgeria MWIR "Smart" basats en frames utilitzant noves topologies de circuit DPS amb correcció de l'FPN en guany i offset. Aquesta línia de recerca exprimeix el pitch del detector per oferir una programabilitat completament digital a nivell de píxel i plena funcionalitat amb compensació de la capacitat paràsita d'entrada i memòria interna de fotograma. - Dispositius de visió MWIR "Compact"-pitch "frame-free" en base a un novedós esquema d'integració analògica en el DPS i diferenciació temporal configurable, combinats amb protocols de comunicació asíncrons dins del pla focal. Aquesta estratègia es concep per permetre una alta compactació del pitch i un increment de la velocitat de lectura, mitjançant la supressió del filtrat digital intern i l'assignació dinàmica de l'ample de banda a cada píxel de l'FPA. Per tal d'independitzar la validació elèctrica dels primers prototips respecte a costosos processos de deposició del PbSe sensor a nivell d'oblia, la recerca s'amplia també al desenvolupament de noves estratègies d'emulació del detector d'IR i plataformes de test integrades especialment orientades a circuits integrats de lectura d'imatge. Cel·les DPS, dispositius d'imatge i xips de test s'han fabricat i caracteritzat, respectivament, en tecnologies CMOS estàndard 0.15 micres 1P6M, 0.35 micres 2P4M i 2.5 micres 2P1M, tots dins el marc de projectes de recerca amb socis industrials. Aquest treball ha conduït a la fabricació del primer dispositiu quàntic d'imatgeria IR d'alta velocitat, no refrigerat, basat en frames, i monolíticament fabricat en tecnologia VLSI CMOS estàndard, i ha donat lloc a Tachyon, una nova línia de càmeres IR comercials emprades en sistemes de control industrial, mediambiental i de transport en temps real.

Offshore wind is emerging as one of the future energy vectors. Offshore wind power plants locations provide more strong and constant wind speed that allows to extract more power compared to onshore locations. In addition, as wind turbine components transportation is less restricted to terrestrial infrastructure, bigger and more powerful wind turbines can be installed offshore. In Europe, 1,567 MW of offshore wind power was installed in 2013. It represents the 14\% of the total wind power installed in Europe. Offshore wind power plants near the shore can be connected to the main grid by means of conventional AC technology. However, if these wind farms are installed further than 80-100 km, the use of AC equipment is economically infeasible due to reactive power issues. In these applications, HVDC system based on static converters can be used. The projects build and commissioned nowadays are based on point-to-point connections, where, each wind farm or wind farm clusters are connected to the terrestrial grid individually. Consequently, these lines might be understood as an extension of the AC system. If different offshore wind farms are interconnected between them and connected at the same time to different AC systems, for example, different countries, the DC grid is created. This scenario creates one of the most important challenges in the electrical power system since its creation, more than 100 years ago. The most relevant challenges to be addressed are the stability and operation of the DC grid and the integration and interaction with the AC grid. This thesis addresses various aspects related to the future Multiterminal-HVDC systems for transmission of offshore wind power. First, the voltage control and the system operations are discussed and verified by means of emulations using an HVDC scaled experimental platform built for this purpose. Voltage stability might be endangered during contingencies due to the different inertia time constant of the AC and the DC system. DC systems only have the inertia of the capacitors compared to synchronous machines rotating masses of the AC systems. Therefore, in faulty conditions the power transmitted through the DC system must be reduced quickly and efficiently. For this reason, in this thesis a coordinated power reduction algorithm taking advantage of Dynamic Braking Resistors (DBR) connected to onshore converter stations and the ability of the power plants to reduce the generated power is presented. From the AC and DC grids integration point of view, the connection point between the offshore grid and the AC grid might be located remotely leading to a connection with a reduced Short Circuit Ratio (SCR). In the literature, several issues regarding the connection of transistor-based power converters to weak AC grid have been reported. In this thesis am advanced control for Voltage Source Converters connected to weak grids is presented and tested by means of simulations. From the AC and DC grids interactions, the voltage stability is not enough to operate a DC grid. Transport System Operators (TSO) operates the power flow through the cables and the power exchanged between by the power converters. In this thesis, a novel hierarchical power flow control method is presented. The aim of the proposed power flow control is to obtain the desired power flows changing the voltage control set-points while the system stability is ensured. Finally, a control procedure for offshore wind farms based on Squirrel Cage Induction Generators connected to a single power converter is introduced.
L'energia eòlica marina emergeix com un dels vectors energètics del futur. Les localitzacions eòliques marines proporcionen vens més forts i constants que les terrestres, cosa que permet extreure més potència. A més a més, els aerogeneradors marins poden ser més grans i més potents ja que es redueixen les limitacions de gàlib existent en les infraestructures terrestres. A tall d'exemple, l'any 2013 a Europa es van instal.lar 1.567 MW de potència eòlica marina, cosa que representa un 14\% de la potència eòlica instal.lada a Europa. Els parcs eòlics marins poden ser connectats a la xarxa elèctrica terrestre utilitzant emparamenta convencional de corrent alterna, però quan la distancia amb la costa excedeix els 80-100 km l'ús d'aquesta tecnologia es torna econòmicament inviable degut a l'energia reactiva generada en els conductors. Per solucionar aquest problema, s'emparen els sistemes en corrent continua basats en convertidors estàtics. Els projectes construïts o projectats a dia d'avui es basen en esquemes de connexió punt-a-punt, on, cada parc eòlic o agrupació de parcs eòlics es troba connectat a la xara terrestre individualment. En conseqüència, l'operació d'aquestes línies es pot considerar com una extensió de la xarxa d'alterna. Però, si s'interconnecten diferents parc eòlics amb diferents xarxes terrestres d'alterna (per exemple, diferents països) en corrent continua, s'obtenen xarxes en corrent continua. Aquest nou escenari crea un dels majors reptes des de la creació dels sistema elèctric de potencia, ara fa més de 100 anys. Entre aquests reptes hi ha l'estabilitat i l'operació dels sistemes en corrent contínua i la seva integració i coexistència amb les xarxes en corrent alterna. En la present tesis s'han estudiat diferents aspectes dels futurs sistemes multi terminal en alta tensió en corrent contínua (HVDC, en anglès) per la transmissió de potencia generada mitjançant parcs eòlics marins. Primerament, es descriu el control de tensió i els modes d'operació dels sistemes multi terminal i es verifiquen en una plataforma experimental construïda per aquest propòsit. L'estabilitat de tensió dels sistemes en corrent continua, es pot veure afectada durant una falta a la xarxa d'alterna degut a la reduïda inèrcia dels sistemes multi terminal, només formada pels condensadors dels convertidors i els cables. Així la potència que no pot injectar a la xarxa ha de ser reduïda de forma ràpida i eficient. Per això, en aquesta tesis es presenta un sistema coordinat de reducció de potència que utilitza la resistència de frenat dels convertidors de connexió a la xarxa i els mètodes de reducció de potència dels parcs eòlics. Des del punt de vista de la integració de les xarxes en continua i en alterna, el punt d'interconnexió pot estar localitzat llunys dels grans centres de generació, la qual cosa implica tenir una potència de curtcircuit molt reduïda. En la bibliografia científica s'han descrit diverses problemàtiques a l'hora de connectar un convertidor de commutació forçada a les xarxes dèbils. Per tal de pal.liar aquests inconvenients, en aquesta tesis es presenta un algorisme avançat de connexió de convertidors a xarxes dèbils basat en control vectorial. Des del punt de vista de les interaccions i interoperabilitat dels sistemes en corrent alterna i continua, no n'hi ha suficient en garantir l'estabilitat, ja que el propòsit finals dels operadors de xarxa és fer fluir una potencia a traves de la xarxa per tal de satisfer la demanda. Per aquest propòsit en aquesta tesis es presenta un control jeràrquic de control del flux de potència que fixa el flux de potència a traves d'una xarxa multi terminal canviant les consignes del control primari, tot assegurant l'estabilitat del sistema. Per tancar la tesis, es presenta un nou controlador per parcs eòlics basats en aerogeneradors de gàbia d'esquirol controlats per un sol convertidor.

The deployment delays for EUVL, forces IC design to continue using 193nm wavelength lithography with innovative and costly techniques in order to faithfully print sub-wavelength features and combat lithography induced process variations. The effect of the lithography gap in current and upcoming technologies is to cause severe distortions due to optical diffraction in the printed patterns and thus degrading manufacturing yield. Therefore, a paradigm shift in layout design is mandatory towards more regular litho-friendly cell designs in order to improve line pattern resolution. However, it is still unclear the amount of layout regularity that can be introduced and how to measure the benefits and weaknesses of regular layouts. This dissertation is focused on searching the degree of layout regularity necessary to combat lithography variability and outperform the layout quality of a design. The main contributions that have been addressed to accomplish this objective are: (1) the definition of several layout design guidelines to mitigate lithography variability; (2) the proposal of a parametric yield estimation model to evaluate the lithography impact on layout design; (3) the development of a global Layout Quality Metric (LQM) including a Regularity Metric (RM) to capture the degree of layout regularity of a layout implementation and; (4) the creation of different layout architectures exploiting the benefits of layout regularity to outperform line-pattern resolution, referred as Adaptive Lithography Aware Regular Cell Designs (ALARCs). The first part of this thesis provides several regular layout design guidelines derived from lithography simulations so that several important lithography related variation sources are minimized. Moreover, a design level methodology, referred as gate biasing, is proposed to overcome systematic layout dependent variations, across-field variations and the non-rectilinear gate effect (NRG) applied to regular fabrics by properly configuring the drawn transistor channel length. The second part of this dissertation proposes a lithography yield estimation model to predict the amount of lithography distortion expected in a printed layout due to lithography hotspots with a reduced set of lithography simulations. An efficient lithography hotspot framework to identify the different layout pattern configurations, simplify them to ease the pattern analysis and classify them according to the lithography degradation predicted using lithography simulations is presented. The yield model is calibrated with delay measurements of a reduced set of identical test circuits implemented in a CMOS 40nm technology and thus actual silicon data is utilized to obtain a more realistic yield estimation. The third part of this thesis presents a configurable Layout Quality Metric (LQM) that considering several layout aspects provides a global evaluation of a layout design with a single score. The LQM can be leveraged by assigning different weights to each evaluation metric or by modifying the parameters under analysis. The LQM is here configured following two different set of partial metrics. Note that the LQM provides a regularity metric (RM) in order to capture the degree of layout regularity applied in a layout design. Lastly, this thesis presents different ALARC designs for a 40nm technology using different degrees of layout regularity and different area overheads. The quality of the gridded regular templates is demonstrated by automatically creating a library containing 266 cells including combinational and sequential cells and synthesizing several ITC'99 benchmark circuits. Note that the regular cell libraries only presents a 9\% area penalty compared to the 2D standard cell designs used for comparison and thus providing area competitive designs. The layout evaluation of benchmark circuits considering the LQM shows that regular layouts can outperform other 2D standard cell designs depending on the layout implementation.
Los continuos retrasos en la implementación de la EUVL, fuerzan que el diseño de IC se realice mediante litografía de longitud de onda de 193 nm con innovadoras y costosas técnicas para poder combatir variaciones de proceso de litografía. La gran diferencia entre la longitud de onda y el tamaño de los patrones causa severas distorsiones debido a la difracción óptica en los patrones impresos y por lo tanto degradando el yield. En consecuencia, es necesario realizar un cambio en el diseño de layouts hacia diseños más regulares para poder mejorar la resolución de los patrones. Sin embargo, todavía no está claro el grado de regularidad que se debe introducir y como medir los beneficios y los perjuicios de los diseños regulares. El objetivo de esta tesis es buscar el grado de regularidad necesario para combatir las variaciones de litografía y mejorar la calidad del layout de un diseño. Las principales contribuciones para conseguirlo son: (1) la definición de diversas reglas de diseño de layout para mitigar las variaciones de litografía; (2) la propuesta de un modelo para estimar el yield paramétrico y así evaluar el impacto de la litografía en el diseño de layout; (3) el diseño de una métrica para analizar la calidad de un layout (LQM) incluyendo una métrica para capturar el grado de regularidad de un diseño (RM) y; (4) la creación de diferentes tipos de layout explotando los beneficios de la regularidad, referidos como Adaptative Lithography Aware Regular Cell Designs (ALARCs). La primera parte de la tesis, propone las diversas reglas de diseño para layouts regulares derivadas de simulaciones de litografía de tal manera que las fuentes de variación de litografía son minimizadas. Además, se propone una metodología de diseño para layouts regulares, referida como "gate biasing" para contrarrestar las variaciones sistemáticas dependientes del layout, las variaciones en la ventana de proceso del sistema litográfico y el efecto de puerta no rectilínea para configurar la longitud del canal del transistor correctamente. La segunda parte de la tesis, detalla el modelo de estimación del yield de litografía para predecir mediante un número reducido de simulaciones de litografía la cantidad de distorsión que se espera en un layout impreso debida a "hotspots". Se propone una eficiente metodología que identifica los distintos patrones de un layout, los simplifica para facilitar el análisis de los patrones y los clasifica en relación a la degradación predecida mediante simulaciones de litografía. El modelo de yield se calibra utilizando medidas de tiempo de un número reducido de idénticos circuitos de test implementados en una tecnología CMOS de 40nm y de esta manera, se utilizan datos de silicio para obtener una estimación realista del yield. La tercera parte de este trabajo, presenta una métrica para medir la calidad del layout (LQM), que considera diversos aspectos para dar una evaluación global de un diseño mediante un único valor. La LQM puede ajustarse mediante la asignación de diferentes pesos para cada métrica de evaluación o modificando los parámetros analizados. La LQM se configura mediante dos conjuntos de medidas diferentes. Además, ésta incluye una métrica de regularidad (RM) para capturar el grado de regularidad que se aplica en un diseño. Finalmente, esta disertación presenta los distintos diseños ALARC para una tecnología de 40nm utilizando diversos grados de regularidad y diferentes impactos en área. La calidad de estos diseños se demuestra creando automáticamente una librería de 266 celdas incluyendo celdas combinacionales y secuenciales y, sintetizando diversos circuitos ITC'99. Las librerías regulares solo presentan un 9% de impacto en área comparado con diseños de celdas estándar 2D y por tanto proponiendo diseños competitivos en área. La evaluación de los circuitos considerando la LQM muestra que los diseños regulares pueden mejorar otros diseños 2D dependiendo de la implementación del layout.

Fast and Complex Data Memory systems has become a necessity in modern computational units in today's integrated circuits. These memory systems are integrated in form of large embedded memory for data manipulation and storage. This goal has been achieved by the aggressive scaling of transistor dimensions to few nanometer (nm) sizes, though; such a progress comes with a drawback, making it critical to obtain high yields of the chips. Process variability, due to manufacturing imperfections, along with temporal aging, mainly induced by higher electric fields and temperature, are two of the more significant threats that can no longer be ignored in nano-scale embedded memory circuits, and can have high impact on their robustness. Static Random Access Memory (SRAM) is one of the most used embedded memories; generally implemented with the smallest device dimensions and therefore its robustness can be highly important in nanometer domain design paradigm. Their reliable operation needs to be considered and achieved both in cell and also in architectural SRAM array design. Recently, and with the approach to near/below 10nm design generations, novel non-FET devices such as Memristors are attracting high attention as a possible candidate to replace the conventional memory technologies. In spite of their favorable characteristics such as being low power and highly scalable, they also suffer with reliability challenges, such as process variability and endurance degradation, which needs to be mitigated at device and architectural level. This thesis work tackles such problem of reliability concerns in memories by utilizing advanced reconfiguration techniques. In both SRAM arrays and Memristive crossbar memories novel reconfiguration strategies are considered and analyzed, which can extend the memory lifetime. These techniques include monitoring circuits to check the reliability status of the memory units, and architectural implementations in order to reconfigure the memory system to a more reliable configuration before a fail happens.
Actualmente, el diseño de sistemas de memoria en circuitos integrados busca continuamente que sean más rápidos y complejos, lo cual se ha vuelto de gran necesidad para las unidades de computación modernas. Estos sistemas de memoria están integrados en forma de memoria embebida para una mejor manipulación de los datos y de su almacenamiento. Dicho objetivo ha sido conseguido gracias al agresivo escalado de las dimensiones del transistor, el cual está llegando a las dimensiones nanométricas. Ahora bien, tal progreso ha conllevado el inconveniente de una menor fiabilidad, dado que ha sido altamente difícil obtener elevados rendimientos de los chips. La variabilidad de proceso - debido a las imperfecciones de fabricación - junto con la degradación de los dispositivos - principalmente inducido por el elevado campo eléctrico y altas temperaturas - son dos de las más relevantes amenazas que no pueden ni deben ser ignoradas por más tiempo en los circuitos embebidos de memoria, echo que puede tener un elevado impacto en su robusteza final. Static Random Access Memory (SRAM) es una de las celdas de memoria más utilizadas en la actualidad. Generalmente, estas celdas son implementadas con las menores dimensiones de dispositivos, lo que conlleva que el estudio de su robusteza es de gran relevancia en el actual paradigma de diseño en el rango nanométrico. La fiabilidad de sus operaciones necesita ser considerada y conseguida tanto a nivel de celda de memoria como en el diseño de arquitecturas complejas basadas en celdas de memoria SRAM. Actualmente, con el diseño de sistemas basados en dispositivos de 10nm, dispositivos nuevos no-FET tales como los memristores están atrayendo una elevada atención como posibles candidatos para reemplazar las actuales tecnologías de memorias convencionales. A pesar de sus características favorables, tales como el bajo consumo como la alta escabilidad, ellos también padecen de relevantes retos de fiabilidad, como son la variabilidad de proceso y la degradación de la resistencia, la cual necesita ser mitigada tanto a nivel de dispositivo como a nivel arquitectural. Con todo esto, esta tesis doctoral afronta tales problemas de fiabilidad en memorias mediante la utilización de técnicas de reconfiguración avanzada. La consideración de nuevas estrategias de reconfiguración han resultado ser validas tanto para las memorias basadas en celdas SRAM como en `memristive crossbar¿, donde se ha observado una mejora significativa del tiempo de vida en ambos casos. Estas técnicas incluyen circuitos de monitorización para comprobar la fiabilidad de las unidades de memoria, y la implementación arquitectural con el objetivo de reconfigurar los sistemas de memoria hacia una configuración mucho más fiables antes de que el fallo suceda

The present PhD thesis analyzes the modelling and control of the two main topologies of large scale variable speed wind turbines, the doubly fed induction generator and the permanent magnet synchronous generator wind turbines, to operate under different types of voltage sags. The first part of the thesis deals with the modelling of the wind turbine from the mechanics to the different types of generators and the power converter. The second part deals with the control of the wind turbine. First, three different control schemes of the doubly fed induction machine are analyzed, starting with the most basic one, the conventional vector control meant for balanced operation which is simulated and compared to experimental measurements from a voltage sag test, and then moving to the dual synchronous reference frame and the stationary reference frame control, two different schemes that allow the operation of the machine under unbalanced voltage sags. Then, different reference calculation methods for the operation of grid connected voltage source converters under grid unbalances are analyzed and tested on a experimental platform. Finally, the vector control scheme of the permanent magnet synchronous generator and a ride-through strategy for this type of turbine for balanced voltage sags is presented and tested on a small scale experimental platform.
Aquesta tesi analitza la modelització i el control per a l'operació sota diferents tipus de sots de tensió de les dues topologies més comunes d'aerogeneradors de velocitat variable de gran escala, la basada en generador d'inducció doblement alimentat i la de màquina síncrona d'imants permanents. La primera part de la tesi tracta el modelat de la turbina eòlica des de la mecànica fins als diferents tipus de generadors i el convertidor. La segona part tracta el control de l'aerogenerador. Primer, s'analitzen tres esquemes de control diferents de la màquina d'inducció doblement alimentada, començant pel tipus més bàsic, el control vectorial convencional, pensat per l'operació en equilibri, que és simulat i comparat amb mesures experimentals d'un assaig de sot de tensió, i tractant a continuació l'anomenat control vectorial amb doble referència de sincronisme i el control en referència estacionària, dos esquemes de control diferents que permeten l'operació de la màquina sota sots de tensió desequilibrats. A continuació s'analitzen i comproven experimentalment diferents mètodes de càlcul de referències pel control de convertidors amb font de tensió sota desequilibris de xarxa. Finalment, es presenta l'esquema de control vectorial de màquina síncrona d'imants permanents i una estratègia de ride-through per a aquest tipus d'aerogenerador que és avaluada en una plataforma experimental.

El present treball, culmina un període de recerca que va començar amb l’observació i mesura dels rendiments dels primers vehicles elèctrics del mercat contemporani i de les tècniques d’optimització energètica aeroespacial. Aquesta tesi recull i recopila les conclusions de tesis i projectes de final de carrera dirigides pel Dr. Ricard Bosch, esdevenint un graó més de la cadena cap al vehicle elèctric que ell mateix persegueix des de fa 30 anys.. L’estudi se centra al territori català per limitacions de desplaçaments i de contactes industrials, analitzant les capacitats de formació, les tècniques, les industrials tot i que els mercats potencials són mundials. Durant l’estudi, els experiments realitzats sobre propulsions elèctriques s’han realitzat en plataformes privades pel que se’n manté la confidencialitat del producte final, no necessariament terrestre. Finalment es dibuixen les opcions que donarien continuïtat a la tesi i les oportunitats de negoci més factibles dins del territori català.
This work culminates a period of research which began with the observation and performance measurement of the first modern electric vehicles together with the aerospace energy optimization techniques. The thesis collects and compiles the findings of theses and final projects directed by Dr. Ricard Bosch, becoming one more step in his evolution chain towards the electric vehicle. The study focuses on the Catalan territory, due to travelling expenses and industry contacts, analyzing its skills, training, techniques, industry and the potential global markets. During the study, experiments were performed on electric propulsion platforms for private companies so the confidentiality of the final product is kept, and are not necessarily ground vehicles. Finally, this document outline the options that would give continuity to the thesis and the most feasible business opportunities within the Catalan territory.

This Thesis study the parameters estimation of the induction machine with the single-cage and doublecage models, using the stator currents, voltages and mechanical speed from a starting transient. The dynamic equations of the induction machine are expressed in the synchronous reference frame because in this reference the values of the direct and quadrature currents have a slower variation than those in the other reference frames. This reference frame is important to facilitate the data filtering. The proposed method for the single-cage parameters estimation introduces an approximation of the rotor flux using the stator currents and voltages. It has been demonstrated in the thesis that this approximation improves the accuracy of the calculated parameters significantly. Two different methods to calculate the parameters have been developed. The first is based on the linear least-square method and the second on the resolving of a nonlinear system of equations. A detailed error study of the parameters and predicted behavior have been made in the thesis. An interesting result of the error study is that it is very important that the speed of the points be used in the calculations. It is very important to use the points with the maximum torque speed and points near the synchronous speed. The thesis presents the two first methods developed for parameters estimation of the induction machine with double-cage model using data from a starting transient. The other methods known in the literature use steady state data. Both methods use data from the point of maximum torque to the synchronous speed to calculate the parameters of a single-cage model, because the torque- and current-speed curves of this single-cage fit very well with the torque- and current-speed curves of the double-cage. Later, the first method uses a point with a speed near to zero speed and a point in the synchronous speed and other single-cage is calculated. With these two singlecages the impedances of three points are calculated and they are used to estimate the six parameters of the double-cage model solving a nonlinear system of equations. The second method, called instantaneous power method, uses the fact that the averaged transient torque has similar values to the steady-state torque in the mechanical transient region. Then, several impedance values are calculated for points with different speeds in this region, where the effects of the double-cage are more important. Finally, with impedance values in the synchronous speed and the maximum torque speed obtained with the regression method and impedance values obtained with the instantaneous power method, a set of non linear equations are defined. Their solution is the estimated parameters of the induction machine double-cage model.

The incorporation of high levels of small-scale non-dispatchable distributed generation is leading to the transition from the traditional 'vertical' power system structure to a 'horizontally-operated' power system, where the distribution networks contain both stochastic generation and load (such as electric vehicles recharging). This fact increases the number of stochastic inputs and dependence structures between them need to be considered. The deterministic analysis is not enough to cope with these issues and a new approach is needed. Probabilistic analysis provides a better approach. This PhD thesis describes the grid impact analysis of charging electric vehicles (EV) using charging curves with detailed battery modelling. A probabilistic method using Monte Carlo was applied to a typical Spanish distribution grid, also using mobility patterns of Barcelona. To carry out this analysis, firstly, an IEEE test system was adapted to a typical distribution grid configuration; secondly, the EV and its battery types were modeled taking into account the current vehicle market and the battery characteristics; and, finally, the recharge control strategies were taken in account. Once these main features were established, a statistical probabilistic model for the household electrical demand and for the EV charging parameters was determined. With these probabilistic models, the Monte Carlo analysis was performed within the established scenario in order to study the lines' and the transformers' loading levels. The results show that an accurate model for the battery gives a more precise estimation about the impact on the grid. Additionally, mobility patterns have been proved to be some of the most important key aspects for these type of studies.

This work deals with the study of Back-2-Back converters, with special emphasis on its effects on the common mode. For the study performed, a review of the different known causes for bearing currents and the contribution to the common mode voltatge by different modulation methods, in both B2B and VSIs converters. Various original methods of modulation are studied that allow us significant reductions in the common mode provided, and therefore the life of the drives and connected loads. Finally, we study some original contributions using the common mode to take benefits when applying it does not cause us concern.
El present treball aborda l'estudi dels convertidors Back-2-Back, amb especial èmfasi en els seus efectes sobre el mode comú. Per l'estudi es realitza una revisió de les diferents causes conegudes dels corrents pels coixinets, així com del mode comú aportat pels diferents mètodes de modulació, tant en VSIs com en convertidors B2B. S'estudien diversos mètodes de modulació originals que permeten reduccions importants en el mode comú aportat, i per tant, en la vida dels accionaments i càrregues. Per finalitzar, s'estudien determinades aportacions també originals que permeten aprofitar el mode comú per a obtenir efectes beneficiosos quan l'aplicació del mateix no ens causa preocupació

This doctoral thesis is presented as a compendium of six (6) articles published in Science Citation Index journals. The work proposes harmonic models of some of the most common energy efficient lighting devices in electrical installations (i.e., high intensity discharge lamps (HIDLs) with magnetic ballast, compact fluorescent lamps (CFLs) with integrated ballast, and solid state lighting light emitting diodes (SSL-LEDs) luminaries). The aim of these models and the developed numerical tools is to characterize their harmonic emissions for use in harmonic power flow (HPF) studies in networks with high penetration of these loads. The work contributes mainly with the frequency domain equivalent circuit models and makes significant contributions in the model parameter estimation and suggestions on variations and simplifications of the models.
La presente Tesis Doctoral se defiende bajo la modalidad de un compendio de seis (6) artículos publicados en revistas indexadas en el Science Citation Index. En ella se desarrolla la modelización armónica de algunos de los dispositivos de iluminación de eficiencia energética más habituales en las instalaciones eléctricas (i.e. las lámparas de descarga de alta intensidad con balasto magnético HIDLs, las lámparas fluorescentes compactas con balasto integrado CFLs y las lámparas de estado sólido de diodos inorgánicos emisores de luz SSL-LEDs). El objetivo de estos modelos y de las herramientas numéricas desarrolladas, es caracterizar sus emisiones armónicas y poder utilizarlos en programas de flujos de potencia con armónicos (HPF) en redes eléctricas con gran penetración de este tipo de cargas. El trabajo desarrollado contribuye principalmente con modelos de dichas lámparas basados en su circuito equivalente en el dominio de la frecuencia y realiza aportaciones significativas en la estimación de sus parámetros, además de propuestas de variantes y simplificaciones de los modelos.

The number of applications that require the use of power converters has been continually increasing in the last years on account of environmental and economical concerns. The power to be processed by these converters has been growing too. These applications include uninterruptible power supplies, motor drives, and distributed generation, such as solar photo-voltaic panels and wind turbines. The rated power of such converters can be raised by increasing the output currents. This can be chieved by connecting converter, converter legs or power devices in parallel. The connection of legs in parallel in a voltage ource inverter is made by means of inductors, hich can be either magnetically coupled or uncoupled. One of the issues that needs to be addressed is achieving an even contribution to the output current from all the legs. Current imbalances are due to circulating currents among the legs which must be avoided or controlled since they produce additional losses and stress to the power devices of the converter. An efficient technique to attain such a balance is presented in this thesis. The balancing technique achieves the objective regardless of the type of inductors used. In spite of the afore mentioned issues, the potential benefits of paralleling converter legs make their use a worthwhile option. Some of the additional benefits of paralleling are the improvement in the total harmonic distortion of the output current and voltage and the reduction of the output filters. Besides, inverters with legs connected in parallel are modular and because of that, their production and maintenance become less expensive. Moreover, they qualify for the implementation of fault-tolerant techniques thus offering the possibility to achieve systems with improved overall reliability. Interleaving of the carriers can be used to modulate the reference signals for each leg, which leads to a reduction in the output current ripple without resorting to increasing the switching frequency. A whole set of shifted carriers is required if interleaved pulse-width modulators are used. Implementing this by means of a digital signal processor (DSP) means that the higher the number of carriers, the higher the number of DSP timing resources required. Provided that the latter are usually limited, this could be a drawback when increasing the number of interleaved carriers. In this thesis the implementation of a pulse-width modulation (PWM) scheme where all modulators use the same carrier offering the same results as if a set of n interleaved carriers were used is presented. Since the proposed algorithm takes maximum benefit from the PWM units available in a DSP, a higher number of legs connected in parallel can be controlled without adding any external processing hardware. In multiphase voltage source inverters with n interleaved parallel-connected legs, the best single-phase output voltage is achieved when the carriers are evenly phase shifted. However, switching among nonadjacent levels can be observed at regular intervals in the line-to-line voltages, causing bad harmonic performance. This thesis includes a novel implementation of PWM that improves the quality of the line-to-line output voltages in interleaved multiphase voltage-source inverters. With the proposed method, switching in the line-to-line voltages happens exclusively between adjacent levels. The modulator utilizes two sets of n evenly phase-shifted carriers that are dynamically allocated. Because of its generality, the proposed implementation is valid for any number of phases and any number of legs in parallel. All the modulation and control algorithms proposed in this thesis have been firstly simulated on Matlab/Simulink models, and then experimentally corroborated on a low power laboratory prototype.
El número de aplicaciones que requiere del uso de convertidores de potencia ha crecido de forma regular en los últimos años debido a cuestiones económicas y ambientales. Entre ellas se incluyen fuentes de alimentación ininterrumpibles, accionamientos de motores y sistemas de generación distribuida, como paneles fotovoltaicos o turbinas eólicas. La potencia nominal de dichos convertidores puede aumentarse incrementando las corrientes de salida. Esto puede lograrse mediante la conexión en paralelo de: semiconductores, ramas de convertidor o convertidores. La conexión en paralelo de las ramas de un inversor con fuente de tensión se efectúa mediante inductancias, que pueden estar magnéticamente acopladas o no. Una de las cuestiones que hay que lograr es una contribución equitativa a la corriente de salida por parte de todas las ramas. Los desequilibrios se deben a las corrientes que circulan entre las ramas y que deben evitarse, o controlarse, pues causan solicitaciones y pérdidas adicionales en los dispositivos de potencia del convertidor. En esta tesis se presenta una técnica eficiente para conseguir dicho equilibrio. Dicha técnica es efectiva independientemente del tipo de bobinas utilizado. A pesar de las cuestiones mencionadas, los beneficios de la conexión de ramas en paralelo las convierte en una opción a considerar. Entre sus beneficios adicionales se encuentran la mejora en la distorsión armónica total de las tensiones y corrientes de salida y la reducción de los filtros de salida. Además, los convertidores con ramas en paralelo son modulares y, de este modo, su producción y mantenimiento resulta más económico. Es más, son ideales para la implantación de técnicas tolerantes a fallos, lo que permite obtener sistemas con una mejor fiabilidad global. Para la modulación de las señales de cada rama pueden utilizarse técnicas de entrelazado de las portadoras, lo que conduce a un menor rizado en la corriente de salida sin tener que recurrir a mayores frecuencias de conmutación. Si se usan moduladores de anchura de pulso entrelazados, se necesita un conjunto de señales portadoras desplazadas. La implantación de esto mediante un procesador digital de señal (DSP) implica que a mayor número de portadoras, mayor será el número de recursos de temporización del DSP que se necesiten. Dado que estos últimos son normalmente limitados, esto podría ser un inconveniente cuando se quiera incrementar el número de portadoras entrelazadas. En esta tesis se presenta la implementación de un esquema de modulación de anchura de pulso (PWM) en el que todos los moduladores usan una misma portadora y que ofrece el mismo resultado que si se utilizara todo un conjunto de portadoras entrelazadas. Como el algoritmo propuesto saca el mejor provecho de las unidades de PWM disponibles en el DSP, se podría controlar un mayor número de ramas en paralelo sin necesidad de ninguna circuitería externa adicional. En inversores con fuente de corriente polifásicos con n ramas conectadas en paralelo, la mejor tensión de fase de salida se obtiene cuando las portadoras están desfasadas por igual. Sin embargo, se observan transiciones entre niveles de salida no adyacentes en las tensiones de línea a intervalos regulares, lo que ocasiona malas prestaciones armónicas. Esta tesis incluye una novedosa implementación de PWM que mejora la calidad de la tensión de línea en inversores con fuente de tensión. Con el método propuesto, las transiciones en las tensiones de línea se producen únicamente entre niveles de tensión adyacentes. El modulador utiliza dos conjuntos de n Portadoras regularmente desfasadas cuyo uso se va asignando de forma dinámica. Dada su formulación genérica, la implementación propuesta es válida para cualquier número de fases y cualquier número de ramas

The present work is framed in the area of the EE, raising main objectives: * The study and analysis of the State of energy efficiency in some Latin American countries * Analyze regulations, rules and standards in force earmarked for the energy rating. * Characterize the govermment-sponsored housing in Latin America and propose efficiency strategies adapted to the countries with tropical climates located in South America * A study for the definition of a comfort temperature appropriate to the countries with tropical climates. * Study the influence of efficiency strategies proposed in the government-sponsored housing and comfort temperature adapted to the tropical climate in the energy saving. The first objective seeks to let in evidence the impact of some practical and essential measures on energy saving. Is noteworthy the great potential for savings in energy use that exists in the construction sector, this was selected the social interest housing due to the projection mass that has this type of construction as a housing solution. The second objective aims to find a rating system that suits the characteristics of climate and building existing in Latin American converging in the selection of the technical of the building code (CTE) represented in the basic document of habitability and energy (DB-HE). The main reasons for this choice is that it allows the qualification in different climatic conditions, with an area very similar to tropical conditions in terms of ambient temperature and humidity as it is presented in Las Palmas de Gran Canaria, also it is a policy that takes into account most of the parameters that affect the energy rating. A survey for the characterization of the government-sponsored housing which is sent to a sample of professors from various universities Latin American, specialists in the area was designed in the third objective. This housing was subjected to the rating process, which has not complied with the provisions of the standard, which proposed a series of measures which contributed to achieve a substantial improvement in the qualification. In the fourth objective is proposed, based on the adaptive model, a new expression for the determination of the comfort temperature in tropical climates. This new expression incorporates the relative humidity as a variable to be considered to characterize the comfort temperature and was applied to the study of some located cities in the intertropical strip. The results suggest that the comfort range should rise a couple of degrees as defined by the reference standards when considering the relative humidity present in the climate area. Finally, as the ultimate goal, the energy savings that are achieved with the implementation of energy efficiency measures described for the government-sponsored housing and the consideration of the new comfort temperature is suggested.
La presente trabajo se enmarcara en el área de la EE, planteando como objetivos principales: -El estudio y análisis del estado de la eficiencia energética en algunos países latinoamericanos. -Analizar reglamentos, normas y estándares vigentes destinados a la calificación energética. -Caracterizar la vivienda de interés social en Latinoamérica y proponer estrategias de eficiencia adaptadas a los países con climas tropicales ubicados en América del Sur. -Realizar un estudio para la definición de una temperatura de confort adecuada a los países con climas tropicales. -Estudiar la influencia de las estrategias de eficiencia propuestas en la vivienda de interés social y de la adaptación de la temperatura de confort al clima tropical en el ahorro de energía. El primer objetivo busca dejar en evidencia el impacto que tienen algunas medidas prácticas e indispensables en el ahorro energético. Es de destacar el gran potencial de ahorro en el uso de energía que existe en el sector de la construcción, para ello se seleccionó la vivienda de interés social debido a la proyección en masa que tiene este tipo de construcciones como solución habitacional. El segundo objetivo tiene la finalidad de encontrar un sistema de calificación que mejor se adapte a las características de clima y construcción existentes en la zona latinoamericana convergiendo en la selección del Código Técnico de la Edificación (CTE) representado en el Documento Básico de habitabilidad y energía (DB-HE). Las principales razones de esta selección es que permite la calificación en diferentes condiciones climáticas, contando con una zona con condiciones bastante similares a las tropicales en cuanto a temperatura ambiente y humedad como la que se presenta en Las Palmas de gran Canaria, además se trata de una normativa que toma en cuenta la mayoría de los parámetros que afectan la calificación energética. En el tercer objetivo se diseñó una encuesta para la caracterización de la vivienda de interés social la cual se envió a una muestra de profesores de distintas universidades latinoamericanas especialistas en el área. Esta vivienda fue sometida al proceso de calificación, la cual no cumplió con lo establecido en la norma, por lo cual se propusieron una serie de medidas que contribuyeron a alcanzar una mejora sustancial en la calificación. En el cuarto objetivo se propone, partiendo del modelo adaptativo, una nueva expresión para la determinación de la temperatura de confort en los climas tropicales. Esta nueva expresión incorpora la humedad relativa como variable a tener en cuenta para caracterizar la temperatura de confort y fue aplicada al estudio de algunas ciudades ubicadas dentro de la franja intertropical. Los resultados sugieren que el rango de confort se debe elevar un par de grados a lo definido por las normas de referencia cuando se considera la humedad relativa presente en esa zona climática. Finalmente, como último objetivo, se muestran los ahorros energéticos que se logran con la aplicación de las medidas de eficiencia energética descritas para la vivienda de interés social y la consideración de la nueva temperatura de confort sugerida.

This thesis presents a body of work on the modeling of and performance predictions for carbon nanotube field-effect transistors (CNFET) and graphene field-effect transistors (GFET). While conventional silicon-based CMOS is expected to reach its ultimate scaling limits during the next decade, these two novel technologies are promising candidates for future high-performance electronics. The main goal of this work is to investigate on the opportunities of using such carbon-based electronics for RF integrated circuits. This thesis addresses 1) the modeling of noise and process variability in CNFETs, 2) RF performance predictions for CNFETs, and 3) an accurate GFET compact model. This work proposes the first CNFET noise compact model. Noise is of primary importance for RF applications and its description significantly increases the insight gained from simulation studies. Furthermore, a CNFET variability model is presented, which handles tube synthesis and metal tube removal imperfections. These two model extensions have been added to the Stanford CNFET compact model and allow for the variability-aware RF performance assessment of the CNFET technology. In continuation, comprehensive RF performance projections for CNFETs are provided both on the device and circuit level. The overall set of ITRS RF-CMOS technology requirement FoMs is determined and shows that the CNFET performs excellently in terms of speed, gain, and minimum noise figure. Furthermore, for the first time FoMs are reported for the basic RF building blocks low-noise amplifier and oscillator. In addition, it is shown that CNFET downscaling yields significant performance improvements. Based on these analyses it is confirmed that the CNFET has the potential to outperform Si-CMOS in RF applications. A third key contribution of this thesis is the development of an accurate GFET compact model. Previous compact models simplify several physical aspects, which can cause erroneous simulation results. Here, an accurate yet simple mathematical description of the GFET’s current-voltage relation is proposed and implemented in Verilog-A. Comprehensive error analyses are done in order to highlight the advantages of the new approach. Furthermore, the model is verified against measurement results. The developed GFET model is an important step towards better understanding the characteristics and opportunities of graphene-based analog circuitry.

The exploration of the dynamics of bioinspired neural networks has allowed neuroscientists to understand some clues and structures of the brain. Electronic neural network implementations are useful tools for this exploration. However, appropriate architectures are necessary due to the extremely high complexity of those networks. There has been an extraordinary development in reconfigurable computing devices within a short period of time especially in their resource availability, speed, and reconfigurability (FPGAs), which makes these devices suitable to emulate those networks. Reconfigurable parallel hardware architecture is proposed in this thesis in order to emulate in real time complex and biologically realistic spiking neural networks (SNNs). Some relevant SNN models and their hardware approaches have been studied, and analyzed in order to create an architecture that supports the implementation of these SNN models efficiently. The key factors, which involve flexibility in algorithm programmability, high performance processing, low area and power consumption, have been taken into account. In order to boost the performance of the proposed architecture, several techniques have been developed: time to space mapping, neural virtualization, flexible synapse-neuron mapping, specific learning and execution modes, among others. Besides this, an interface unit has been developed in order to build a bio-inspired system, which can process sensory information from the environment. The spiking-neuron-based system combines analog and digital multi-processor implementations. Several applications have been developed as a proof-of-concept in order to show the capabilities of the proposed architecture for processing this type of information.
L'estudi de la dinàmica de les xarxes neuronals bio-inspirades ha permès als neurocientífics entendre alguns processos i estructures del cervell. Les implementacions electròniques d'aquestes xarxes neuronals són eines útils per dur a terme aquest tipus d'estudi. No obstant això, l'alta complexitat de les xarxes neuronals requereix d'una arquitectura apropiada que pugui simular aquest tipus de xarxes. Emular aquest tipus de xarxes en dispositius configurables és possible a causa del seu extraordinari desenvolupament respecte a la seva disponibilitat de recursos, velocitat i capacitat de reconfiguració (FPGAs ). En aquesta tesi es proposa una arquitectura maquinari paral·lela i configurable per emular les complexes i realistes xarxes neuronals tipus spiking en temps real. S'han estudiat i analitzat alguns models de neurones tipus spiking rellevants i les seves implementacions en maquinari , amb la finalitat de crear una arquitectura que suporti la implementació d'aquests models de manera eficient . S'han tingut en compte diversos factors clau, incloent flexibilitat en la programació d'algorismes, processament d'alt rendiment, baix consum d'energia i àrea. S'han aplicat diverses tècniques en l'arquitectura desenvolupada amb el propòsit d'augmentar la seva capacitat de processament. Aquestes tècniques són: mapejat de temps a espai, virtualització de les neurones, mapeig flexible de neurones i sinapsis, modes d'execució, i aprenentatge específic, entre d'altres. A més, s'ha desenvolupat una unitat d'interfície de dades per tal de construir un sistema bio-inspirat, que pot processar informació sensorial del medi ambient. Aquest sistema basat en neurones tipus spiking combina implementacions analògiques i digitals. S'han desenvolupat diverses aplicacions usant aquest sistema com a prova de concepte, per tal de mostrar les capacitats de l'arquitectura proposada per al processament d'aquest tipus d'informació.

Increasing memory capacity in mobile devices, is driving the need of high-data rates equipment. The 7 GHz band around 60 GHz provides the opportunity for multi-gigabit/sec wireless communication. It is a real opportunity for developing next generation of High-Definition (HD) devices. In the last two decades there was a great proliferation of Voltage Controlled Oscillator (VCO) and Frequency Divider (FD) topologies in RF ICs on silicon, but reaching high performance VCOs and FDs operating at 60 GHz is in today's technology a great challenge. A key reason is the inaccuracy of CMOS active and passive device models at mm-W. Three critical issues still constitute research objectives at 60 GHz in CMOS: generation of the Local Oscillator (LO) signal (1), division of the LO signal for the Phase-Locked Loop (PLL) closed loop (2) and distribution of the LO signal (3). In this Thesis, all those three critical issues are addressed and experimentally faced-up: a divide-by-2 FD for a PLL of a direct-conversion transceiver operating at mm-W frequencies in 65 nm RF CMOS technology has been designed. Critical issues such as Process, Voltage and Temperature (PVT) variations, Electromagnetic (EM) simulations and power consumption are addressed to select and design a FD with high frequency dividing range. A 60 GHz VCO is co-designed and integrated in the same die, in order to provide the FD with mm-W input signal. VCOs and FDs play critical roles in the PLL. Both of them constitute the PLL core components and they would need co-design, having a big impact in the overall performance especially because they work at the highest frequency in the PLL. Injection Locking FD (ILFD) has been chosen as the optimum FD topology to be inserted in the control loop of mm-W PLL for direct-conversion transceiver, due to the high speed requirements and the power consumption constraint. The drawback of such topology is the limited bandwidth, resulting in narrow Locking Range (LR) for WirelessHDTM applications considering the impact of PVT variations. A simulation methodology is presented in order to analyze the ILFD locking state, proposing a first divide-by-2 ILFD design with continuous tuning. In order to design a wide LR, low power consumption ILFD, the impacts of various alternatives of low/high Q tank and injection scheme are deeply analysed, since the ILFD locking range depends on the Q of the tank and injection efficiency. The proposed 3-bit dual-mixing 60 GHz divide-by-2 LC-ILFD is designed with an accumulation of switching varactors binary scaled to compensate PVT variations. It is integrated in the same die with a 4-bit 60 GHz LC-VCO. The overall circuit is designed to allow measurements of the singles blocks stand-alone and working together. The co-layout is carried on with the EM modelling process of passives devices, parasitics and transmission lines extracted from the layout. The inductors models provided by the foundry are qualified up to 40 GHz, therefore the EM analysis is a must for post-layout simulation. The PVT variations have been simulated before manufacturing and, based on the results achieved, a PLL scheme PVT robust, considering frequency calibration, has been patented. The test chip has been measured in the CEA-Leti (Grenoble) during a stay of one week. The operation principle and the optimization trade-offs among power consumption, and locking ranges of the final selected ILFD topology have been demonstrated. Even if the experimental results are not completely in agreement with the simulations, due to modelling error and inaccuracy, the proposed technique has been validated with post-measurement simulations. As demonstrated, the locking range of a low-power, discrete tuned divide-by-2 ILFD can be enhanced by increasing the injection efficiency, without the drawbacks of higher power consumption and chip area. A 4-bits wide tuning range LC-VCO for mm-W applications has been co-designed using the selected 65 nm CMOS process.

In lightning protection techniques a basic aspect is the identification of the impact point possible, which is determined by the evolution of the initial phase of the lightning, known as the stepped leader, the ground geometry and structures on it. In general, the available theoretical models are consistent with ideal situations and do not include situations such as non-vertical trajectories, non-flat terrain or complex structures. This work reviews and compares the most outstanding models in the literature on this subject and proposes a model for the study of the stepped leader based on the Finite Element Method (FEM). With the intention of bringing the process to the real situation of progress of a downward negative leader, who can follow a trajectory 3D, several modeling aspects are contemplated, as: adjusting the charge density in the channel, the length and direction of jump, which can be modified depending on the height that is the leader, and the propagation delays caused by the distance from the observation point. On the other hand, the model allows the implementation of 3D geometries and the incorporation of complex structures and non-flat terrain, providing results in situations when it is not possible to have theoretical approaches. Simulations have been performed with different proposals for charge distribution in the channel, in situations of leader vertical, inclined and 3D trajectory. The model has been evaluated, comparing their results with theoretical ideal cases and reproducing some real situations from field measurements. The application of the model in simulating real cases for downward negative leader provides parameter values that are not available through the recorded measurements and are useful for studying this type of discharge. In this work we have focused on some of them, and we have obtained interesting results as: estimating the speed of the leader according of height (from the measures of ¿E (t)), the definition of new relationships between charge density in the channel, ¿Emax (leader close to ground), the return peak current and the observation point distance, as well as we can verify the conditions of inception for a discharge into a storm cloud. Finally, we use the model to evaluate the striking distance, a basic concept on protection techniques. It is inferred a new equation for its calculus and the results are compared with proposals available in the literature, showing good agreement with the recommendation of IEC 62305-1. The results encourage to continue the study and they open the possibility to extend the method to other stages, not only on the downward leader, but also on other phenomena related to the formation and evolution of storm situations.
En las técnicas de protección contra el rayo un aspecto básico es la identificación del posible punto de impacto, que viene determinado por la evolución de la fase inicial de la descarga atmosférica, conocida como líder escalonado (stepped leader), y por la geometría del terreno y estructuras sobre él. En general, los modelos teóricos disponibles se ajustan a situaciones ideales y no contemplan situaciones como trayectorias no verticales, terreno no plano o estructuras complejas. En este trabajo se revisan y comparan los modelos más destacados en la bibliografía sobre el tema y se propone un modelo para el estudio del stepped leader basado en el Método de los Elementos Finitos (FEM). Con la intención de aproximar el proceso a la situación real de avance de un líder negativo descendente, que puede seguir una trayectoria 3D, en el modelado se contemplan aspectos como: el ajuste de la densidad de carga en el canal, la longitud y dirección del salto, que pueden ser modificadas en función de la altura a la que se encuentre el líder, y los retardos de propagación provocados por la distancia del punto de observación. Por otra parte, el modelo permite la implementación de geometrías en 3D y la incorporación de estructuras complejas y terreno no plano, facilitando obtener resultados en situaciones en las que no es posible disponer de aproximaciones teóricas. Se han realizado simulaciones con diferentes propuestas de distribución de carga en el canal y para situaciones de líder vertical, inclinado y con trayectoria 3D. El modelo ha sido evaluado, contrastando sus resultados con casos teóricos ideales y reproduciendo situaciones reales a partir de diversas medidas de campo. La aplicación del modelo en la simulación de casos reales para líder negativo descendente nos proporciona valores de parámetros que no están disponibles a través de las medidas registradas y que son de utilidad para el estudio de las descargas negativas descendentes. En este trabajo nos hemos centrado en algunos de ellos y se han obtenido resultados de interés como: una estimación de la velocidad de avance del líder en función de la altura (a partir de medidas disponibles de ΔE(t)), la definición de nuevas relaciones entre densidad de carga en el canal, ΔEmax (líder próximo a tierra), la corriente de pico de retorno y la distancia del punto de observación, además de verificar las condiciones de inicio de descargas en una nube de tormenta. Por último, se utiliza el modelo para la evaluación de la distancia de cebado (striking distance), concepto básico en técnicas de protección. Se infiere una nueva ecuación para su cálculo y se comparan los resultados con las propuestas disponibles en la literatura, mostrando una buena concordancia con la recomendación de la norma IEC 62305-1. Los resultados obtenidos animan a continuar con el estudio y abren la posibilidad de ampliar la aplicación del método a otras etapas, no sólo en la descarga descendente, sino también de otros fenómenos relacionados con la formación y evolución de las situaciones de tormenta.
En les tècniques de protecció contra el llamp, un aspecte bàsic és la identificació del possible punt d’impacte, que ve determinat per l’evolució de la fase inicial de la descàrrega atmosfèrica, coneguda com a líder esglaonat (stepped leader), i per la geometria del terreny i les estructures que hi ha a sobre d’ell. En general, els models teòrics dsiponibles s’ajusten a situacions ideals i no contemplen situacions com trajectòries no verticals, terreny no pla o estructures complexes. En aquest treball es revisen i comparen els models més destacats en la bibliografia sobre el tema i es proposa un model per a l’estudi del stepped leader basat en el Mètode dels Elements Finits (FEM). Amb la intenció d’apropar el procés a la situació real d’avançament d’un líder negatiu descendent, el qual pot seguir una trajetòria 3D, en el modelat es contemplemn aspectes com: l’ajustament de la densitat de càrrega al canal, la longitud i la direcció del salt, que poden ser modificades en funció a l’altura on es trobi el líder i als retards de propagació provocats per la distància del punt d’observació. D’una altra banda, el model permet la implementació de geometries en 3D i la incorporació d’estructures complexes i terreny no pla, facilitant així l’obtenció de resultats en situacions on no es possible disposar d’aproximacions teòriques. S’han realitzat simulacions amb diferents propostes de distribució de càrrega al canal i per a situacions de líder vertical, inclinat i amb trajectòria 3D. El model ha estat avaluat, contrastant els seus resultats amb casos teòrics ideals i reproduint situacions reals a partir de diferents mesures de camp. L’aplicació del model en la simulació de casos reals per a líder negatiu descendent ens proporciona valors de paràmetres que no estan disponibles a travès de les mesures registrades i que són d’utilitat per a l’estudi de les descàrregues negatives descendents. En aquest treball ens n’hem centrat en alguns i s’han obtingut resultats d’interès com: una estimació de la velocitat d’avançament del líder en funció d’altura (només a partir de mesures disponibles de ΔE(t)), la definició de les noves relacions entre densitat de càrrega al canal, ΔEmax (líder proper a terra), el corrent del pic de retorn i la distància del punt d’observació, a més de verificar les condicions d’inici de descàrregues en un núvol de tempesta. Per últim, s’utilitza el model per a l’avaluació de la distància de d'encebament (striking distance), concepte bàsic en tècniques de protecció. S’infereix una nova equació per al seu càlcul i es comparen els resultats amb les propostes disponibles en la literatura, mostrant una bona concordància amb la recomanació de la norma IEC 62305-1. Els resultats obtinguts animen a continuar amb l’estudi i obren la posibilitat d’ampliar l’aplicació del mètode a d’altres etapes, no només en la descàrrega descendent, sinó també d’altres fenòmens relacionats amb la formació i evolució de les situacions de tempesta.

El procesamiento de la energía mediante convertidores electrónicos conmutados ha tomado una relevancia notable durante la última década, y presumiblemente será uno de los campos de la ingeniería con mayor proyección industrial en el futuro. La evolución continua en el campo de la electrónica de potencia ha hecho posible la fabricación de convertidores conmutados cada vez más compactos, capaces de manejar valores de tensión y corriente mayores, conmutando a frecuencias más elevadas. Estas mejoras provocan, a su vez, la generación de perturbaciones electromagnéticas (EMI) fuera del rango permitido por la legislación vigente. Por otro lado, el diseño convertidores con nuevas topologías y una legislación cada vez más restrictiva en cuanto a emisiones EMI se refiere, hace imprescindible la elaboración de nuevas herramientas capaces de analizar los efectos que de las EMI generadas se puedan derivar. Uno de los convertidores de potencia emergentes y que actualmente está adquiriendo especial relevancia es el Convertidor Matricial (MC). El auge del interés por esta topología durante los últimos años ha sido motivado gracias a prestaciones como la conversión directa AC/AC, su gran densidad de potencia y la ausencia de grandes componentes reactivos para el almacenaje de energía. El trabajo que se presenta en este documento trata de dar cobertura al estudio y la reducción de las EMI generadas por los MC. Esta tesis doctoral se ha dividido en dos líneas de investigación: Estudio de las perturbaciones EMI producidas por los MC y prevención de efectos adversos producidos por dichas EMI. La primera línea de investigación ha tenido como objetivo principal el estudio de las EMIs generadas por los MC de topología directa. En dicho estudio se ha desarrollado un modelo EMI para poder predecir las perturbaciones conducidas generadas por dichos convertidores. Uno de los objetivos principales de dicho modelo es proporcionar aproximaciones suficientemente válidas en un tiempo reducido. La estrategia utilizada ha sido el cálculo de las perturbaciones conducidas clasificando estas en modo común (CM) y modo diferencial (DM). El método utilizado se basa en la extracción de circuitos de impedancias equivalentes que proporcionen una representación fidedigna de la generación y propagación de las perturbaciones sin necesidad de complejos sistemas de cálculo. La segunda línea de investigación ha tenido como objetivo reducir el número de descargas eléctricas que se producen en los cojinetes del motor, las cuales son una de las causas principales de la reducción de su vida útil. Estas descargas son debidas a los niveles de la tensión en modo común (CMV) y sus rápidas variaciones en el tiempo (dv/dt). Para reducir los niveles de la CMV se ha desarrollado una modulación basada en la tradicional Space Vector Modulation (SVM) donde se remplazan los vectores cero, utilizados convencionalmente, por vectores rotativos. Este intercambio de vectores ha demostrado que permite reducir de manera significativa la amplitud del CMV y con ello reducir la probabilidad en la aparición de descargas eléctricas en los cojinetes. Además, en el estudio se analiza la utilización de vectores activos de diferentes amplitudes con el objetivo de mejorar la modulación presentada cuando se utilizan índices de modulación pequeños.
The energy processing using power converters has taken a remarkable importance in the last decade, and in the future it might become one of the engineering fields with greater projection. The continuous evolution in the field of power electronics has made possible to manufacture more compact switched converters, capable of managing higher voltage and currents levels switching at higher frequency. These improvements, however, lead to the generation of electromagnetic perturbations (EMI) which fail the electromagnetic regulations. On the other hand, the converter design using new layout topologies and a regulation law that is becoming more restrictive about EMI emissions makes essential to develop new tools capable to analyze the effects of the EMI generated. One of the emerging power converters which is currently acquiring special relevance is the matrix converter (MC). The rise of interest on this topology in recent years has been determined by different aspects, such as direct AC/AC conversion, its high power density and the absence of large reactive components for energy storage. The work presented in this document tries to cover the study and the reduction of EMI generated by the MC. This Phd thesis has divided in two research lines: The study of the EMI produced by MC and the prevention of the adverse effects produced by EMI. The first research line has mainly focused on the study of EMI generated by MC of direct topology. In this study, a model to predict the conducted EMI has been developed. One of the main objectives of this model is to deliver good approximation results in short time. The strategy used has been the conducted perturbation calculation using the classification of the EMI as common mode (CM) and differential mode (DM). The method used is based on extraction of the equivalent impedance circuit. This equivalent circuit provides a true representation of the generation and propagation of EMI without the need of complex mathematical methods. The second research line has mainly focused on the reduction of electric discharges which is produced inside of the motor bearings, which are the main cause of motor life time reduction. These electrical discharges are produced by the common mode voltage (CMV) levels and its fast time transitions (dv/dt). In order to reduce those levels, a new modulation based on the traditional Space Vector modulation (SVM) has been developed replacing the zero vectors, normally used, for the rotating ones. This vector exchange has shown a significant reduction of the CMV amplitude, and therefore the probability of electrical discharge appearing inside the motor drops considerably. Furthermore, the study analyzes the use of the active vectors with smaller amplitude to improve the modulation when small modulation index is used.

This work presents two speech hiding methods based on a bio-inspired concept known as the ability of adaptation of speech signals. A cryptographic model uses the adaptation to transform a secret message to a non-sensitive target speech signal, and then, the scrambled speech signal is an intelligible signal. The residual intelligibility is extremely low and it is appropriate to transmit secure speech signals. On the other hand, in a steganographic model, the adapted speech signal is hidden into a host signal by using indirect substitution or direct substitution. In the first case, the scheme is known as Efficient Wavelet Masking (EWM), and in the second case, it is known as improved-EWM (iEWM). While EWM demonstrated to be highly statistical transparent, the second one, iEWM, demonstrated to be highly robust against signal manipulations. Finally, with the purpose to transmit secure speech signals in real-time operation, a hardware-based scheme is proposed
Esta tesis presenta dos métodos de comunicación encubierta de señales de voz utilizando un concepto bio-inspirado, conocido como la “habilidad de adaptación de señales de voz”. El modelo de criptografía utiliza la adaptación para transformar un mensaje secreto a una señal de voz no confidencial, obteniendo una señal de voz encriptada legible. Este método es apropiado para transmitir señales de voz seguras porque en la señal encriptada no quedan rastros del mensaje secreto original. En el caso de esteganografía, la señal de voz adaptada se oculta en una señal de voz huésped, utilizando sustitución directa o indirecta. En el primer caso el esquema se denomina EWM y en el segundo caso iEWM. EWM demostró ser altamente transparente, mientras que iEWM demostró ser altamente robusto contra manipulaciones de señal. Finalmente, con el propósito de transmitir señales de voz seguras en tiempo real, se propone un esquema para dispositivos hardware.

Nowadays, the microelectronics technology is based on the mature and very well established silicon (Si) technology. However, Si exhibits some important limitations regarding its voltage blocking capability, operation temperature and switching frequency. In this sense, Gallium Nitride (GaN)-based high electron mobility transistors (HEMTs) devices have the potential to make this change possible. The unique combination of the high-breakdown field, the high-channel electron mobility of the two dimensional electron gas (2DEG), and high-temperature of operation has attracted enormous interest from social, academia and industry and in this context this PhD dissertation has been made. This thesis has focused on improving the device performance through the advanced design, fabrication and characterization of AlGaN/GaN HEMTs, primarily grown on Si templates. The first milestone of this PhD dissertation has been the establishment of a know-how on GaN HEMT technology from several points of view: the device design, the device modeling, the process fabrication and the advanced characterization primarily using devices fabricated at Centre de Recherche sur l'Hétéro-Epitaxie (CRHEA-CNRS) (France) in the framework of a collaborative project. In this project, the main workhorse of this dissertation was the explorative analysis performed on the AlGaN/GaN HEMTs by innovative electrical and physical characterization methods. A relevant objective of this thesis was also to merge the nanotechnology approach with the conventional characterization techniques at the device scale to understand the device performance. A number of physical characterization techniques have been imaginatively used during this PhD determine the main physical parameters of our devices such as the morphology, the composition, the threading dislocations density, the nanoscale conductive pattern and others. The conductive atomic force microscopy (CAFM) tool have been widely described and used to understand the conduction mechanisms through the AlGaN/GaN Ohmic contact by performing simultaneously topography and electrical conductivity measurements. As it occurs with the most of the electronic switches, the gate stack is maybe the critical part of the device in terms of performance and longtime reliability. For this reason, how the AlGaN/GaN HEMT gate contact affects the overall HEMT behaviour by means of advanced characterization and modeling has been intensively investigated. It is worth mentioning that the high-temperature characterization is also a cornerstone of this PhD. It has been reported the elevated temperature impact on the forward and the reverse leakage currents for analogous Schottky gate HEMTs grown on different substrates: Si, sapphire and free-standing GaN (FS-GaN). The HEMT' forward-current temperature coefficients (T^a) as well as the thermal activation energies have been determined in the range of 25-300 ºC. Besides, the impact of the elevated temperature on the Ohmic and gate contacts has also been investigated. The main results of the gold-free AlGaN/GaN HEMTs high-voltage devices fabricated with a 4 inch Si CMOS compatible technology at the clean room of the CNM in the framework of the industrial contract with ON semiconductor were presented. We have shown that the fabricated devices are in the state-of-the-art (gold-free Ohmic and Schottky contacts) taking into account their power device figure-of-merit ((VB^2)/Ron) of 4.05×10^8 W/cm^2. Basically, two different families of AlGaN/GaN-on-Si MIS-HEMTs devices were fabricated on commercial 4 inch wafers: (i) using a thin ALD HfO2 (deposited on the CNM clean room) and (ii) thin in-situ grown Si3N4, as a gate insulator (grown by the vendor). The scientific impact of this PhD in terms of science indicators is of 17 journal papers (8 as first author) and 10 contributions at international conferences.

Multilevel converter technology has been receiving increasing attention during the last years due to its important advantages compared to conventional two-level conversion. Multilevel converters reduce the voltage across each semiconductor. These converters also synthesize waveforms with better harmonic spectrum, and in most cases, increasing the efficiency of the power conversion system. However, a larger quantity of semiconductors is needed and the modulation strategy to control them becomes more complex. There are three basic multilevel converter topologies: diode clamped, flying capacitor, and cascaded H-bridge with separate dc sources. Numerous hybrid configurations combining them and other multilevel topologies have also been presented in the literature. A novel multilevel active-clamped (MAC) topology is the subject of study of the present thesis. This topology is derived from the generalized multilevel topology by simply removing all flying capacitors. The topology can also be seen as an extension into an arbitrary number of levels of the three-level active neutral-point-clamped (ANPC) topology. The novel converter is controlled using a proper set of switching states and a switching state transition strategy, which permits to obtain the maximum benefits from the converter. In this thesis, the performance and operating capabilities of the MAC topology are studied through comprehensive efficiency and fault-tolerance analyses. The efficiency analysis comprises a study of power-device conduction and switching losses in the topology, followed by analytical and experimental efficiency comparisons between the MAC converter and conventional two-level converters. In the analysis of the fault-tolerance capacity of the MAC topology both open- and short-circuit faults are considered and the analysis is carried out under single-device and two-simultaneous-device faults. Switching strategies to overcome the limitations caused by faults and topology variations to increment the fault-tolerance ability of the MAC converter are proposed. The thesis also proposes guidelines to guarantee a proper MAC converter design and improve its performance.

During the last decades, human beings have experienced a significant enhancement in the quality of life thanks in large part to the fast evolution of Integrated Circuits (IC). This unprecedented technological race, along with its significant economic impact, has been grounded on the production of complex processing systems from highly reliable compounding devices. However, the fundamental assumption of nearly ideal devices, which has been true within the past CMOS technology generations, today seems to be coming to an end. In fact, as MOSFET technology scales into nanoscale regime it approaches to fundamental physical limits and starts experiencing higher levels of variability, performance degradation, and higher rates of manufacturing defects. On the other hand, ICs with increasing number of transistors require a decrease in the failure rate per device in order to maintain the overall chip reliability. As a result, it is becoming increasingly important today the development of circuit architectures capable of providing reliable computation while tolerating high levels of variability and defect rates. The main objective of this thesis is to analyze and propose new fault-tolerant architectures based on redundancy for future technologies. Our research is founded on the principles of redundancy established by von Neumann in the 1950s and extends them to three new dimensions: 1. Heterogeneity: Most of the works on fault-tolerant architectures based on redundancy assume homogeneous variability in the replicas like von Neumann's original work. Instead, we explore the possibilities of redundancy when heterogeneity between replicas is taken into account. In this sense, we propose compensating mechanisms that select the weighting of the redundant information to maximize the overall reliability. 2. Asynchrony: Each of the replicas of a redundant system may have associated different processing delays due to variability and degradation; especially in future nanotechnologies. If we design our system to work locally in asynchronous mode then we may consider different voting policies to deal with the redundant information. Depending on how many replicas we collect before taking a decision we can obtain different trade-off between processing delay and reliability. We propose a mechanism for providing these facilities and analyze and simulate its operation. 3. Hierarchy: Finally, we explore the possibilities of redundancy applied at different hierarchy layers of complex processing systems. We propose to distribute redundancy across the various hierarchy layers and analyze the benefits that can be obtained. Drawing on the scenario of future ICs technologies, we push the concept of redundancy to its fullest expression through the study of realistic nano-device architectures. Most of the redundant architectures considered so far do not face properly the era of Terascale Computing and the nanotechnology trends. Since von Neumann applied for the first time redundancy at electronic circuits, never until now effects as common in nanoelectronics as degradation and interconnection failures have been treated directly from the standpoint of redundancy. In this thesis we address in a comprehensive manner the reliability of digital processing systems in the upcoming technology generations.

Offshore wind is an emerging energy sector with a huge potential to be tapped in the near future. Offshore Wind Power Plants (OWPPs) are becoming increasingly relevant in Europe and worldwide mainly because the wind speeds are potentially higher and smoother than their onshore counterpart, which leads to higher wind power generation. Moreover, OWPPs have less space limitations constraints, so that it allows the possibility of using larger wind turbines. Nowadays, environmental and social aspects are forcing OWPPs to be constructed further from shore, (which usually leads to deeper waters) and the trend is expected to continue in the coming years. Several studies have demonstrated that if the distance between an OWPP and its grid connection point at the Point of Common Coupling (PCC) exceeds a certain critical distance (approximately 55-70 km), HVDC transmission becomes a more interesting solution than HVAC, since reduce cable energy losses and decrease reactive power requirements. This trend towards larger OWPPs located further away from shore is posing some technical, economic and political challenges that must be overcome to be fully competitive in the longer term compared to other energy sources. Today, there is an important concern about reducing the current Levelised Cost Of Energy (LCOE) of offshore wind projects by improving system reliability and availability, reducing O&M costs and/or increasing energy generation. This thesis aims to propose novel electrical WPP concepts more cost-effective than the existing ones and to comprehensive analyse their technical and economic feasibility. Specific challenges related to the design, optimisation, modelling, operation and control of these new concepts will be addressed in the study. All the concepts presented throughout this thesis, are focused on the collector grid of an OWPP, which encompasses all the necessary equipment to collect the power generated by the wind turbines and to export it to the offshore transmission HVDC platform. The first novel WPP concept assessed can be applied to either an onshore or offshore WPP with a MVAC collection grid connected to the grid through either an HVAC or HVDC transmission link, whilst the rest of the OWPP configurations analysed are motivated by the presence of HVDC technology and its ability to electrically decouple the OWPP from the onshore power system. Thus, the first wind power plant concept evaluated consists in properly derating some specific wind turbines in order to reduce the wake effect within the collection grid and, therefore, to maximise the energy yield by the whole wind power plant during its lifetime of the installation. The following three OWPP concepts analysed arise thanks to the opportunity provided by HVDC technology to operate the collection grid at variable frequency. Thus, the second proposed OWPP concept investigated is based on removing the individual power converter of each wind turbine and connecting a synchronous generator-based OWPP (or a wind turbine cluster) to a single large power converter which operates at variable frequency. Likewise, the third OWPP configuration assessed deals with the optimisation of this aforementioned concept and with the proposal of an hybrid MVAC/MVDC OWPP concept for the offshore collection grid. Regarding the fourth OWPP design, it consists of a DFIG-based OWPP with reduced power converters (approximately 5% of rated slip) connected to a single HVDC substation. This proposal is analysed both static and dynamically by means of simulations. Finally, the last novel OWPP concept presented in this thesis deals with the analysis of an entire offshore wind power plant in DC, with the aim of reducing the losses both in the inter-array and the export cable(s). In general terms, all the novel OWPP concepts analysed suggest a good potential to be applied to future offshore wind power plants by reducing in all the cases the LCOE in comparison with the existing OWPPs.
La energía eólica marina es un sector emergente que se encuentra en plena expansión. Múltiples circunstancias tales como que cada vez sea más difícil encontrar lugares propicios en tierra (principalmente en Europa) para la instalación de parques eólicos, que a medida que el parque se aleja de la costa el impacto visual y auditivo es menor y que en el mar el viento sopla con más intensidad y de una manera más constante que en tierra, lo cual posibilita obtener una mayor generación de energía eólica, han provocado que cada vez existan más parques eólicos marinos. Hoy en día, factores medioambientales y sociales están obligando a construir los parques eólicos marinos cada vez más alejados de la costa y se espera que esta tendencia continúe en los próximos años. Varios estudios han demostrado que a partir de una cierta distancia crítica entre el parque eólico y su punto de conexión a tierra (aproximadamente 55-70 km), la transmisión mediante alta tensión en corriente continua (ATCC) resulta una opción más interesante que a través de una transmisión en alta tensión de corriente alterna (ATCA), ya que las pérdidas en los cables se ven reducidas, así como los requerimientos de potencia reactiva. Esta tendencia hacia construir parques eólicos marinos cada vez mayores y a ubicarlos más alejados de la costa, supone el tener que resolver ciertos retos técnicos, económicos y políticos a fin de poder ser más competitivos en el futuro en comparación con otras fuentes de generación de energía. Hoy en día existe una importante preocupación por tratar de reducir el elevado coste actual de la energía para los proyectos de eólica marina a base de mejorar la fiabilidad y disponibilidad del sistema, reducir costes de operación y mantenimiento y/o incrementar la generación de energía. Esta tesis tiene como objetivo proponer conceptos eléctricos novedosos, aplicados a parques eólicos marinos, que resulten más rentables que los existentes actualmente. Asimismo, esta tesis pretende analizar de una manera exhaustiva la factibilidad, tanto técnica como económica, de dichos conceptos. Asuntos tales como el diseño, la optimización, el modelaje, la operación y el control son presentes en la tesis. El alcance del trabajo se focaliza en la zona colectora de un parque eólico y, por lo tanto, no se analiza, el sistema de transmisión ni su integración a la red. Dicha zona comprende todo el equipamiento necesario para recolectar la potencia generada por los aerogeneradores y transmitirla a la plataforma marina de ATCC. El primer concepto innovador de parque eólico evaluado puede ser aplicado tanto en parques situados en tierra como en el mar, que tengan una red colectora interna de corriente alterna en media tensión (MTCA) y un sistema de transmisión tanto ATCC o ATCA. Respecto al resto de configuraciones presentadas, estas vienen motivadas por la presencia de la tecnología ATCC y su capacidad para desacoplar eléctricamente la red interna del parque eólico del sistema eléctrico de potencia situado en tierra. Así pues, la primera propuesta de parque eólico a analizar consiste en operar algunas máquinas concretas por debajo de su punto óptimo de operación a fin de poder reducir el efecto estela dentro del parque y poder así maximizar la potencia total extraída por el mismo. Las tres siguientes configuraciones de parque analizadas se fundamentan en la posibilidad que ofrece la tecnología ATCC de poder operar la red interna del parque eólico a una frecuencia variable. En base a este nuevo concepto, la segunda propuesta de parque investigada consiste en prescindir de los convertidores individuales de cada turbina y conectar todos los generadores síncronos del parque eólico (o un simple grupo de máquinas) directamente al convertidor central, el cual opera a frecuencia variable. El tercer diseño de parque eólico se basa en una topología híbrida dentro del parque combinado MTCA y MTCC. Esta configuración surge de optimizar la propuesta anterior de parque eólico. Asimismo, la cuarta propuesta a analizar estudia la posibilidad de tener un parque consistente en generadores de inducción doblemente alimentados conectados a un convertidor común de tensión controlada situado en la plataforma marina, en el cual los convertidores de cada máquina sean de un tamaño menor a lo habitual (aproximadamente a un deslizamiento nominal de un 5%). Este sistema es analizado en detalle tanto estática como dinámicamente. Finalmente, el último concepto que se presenta en esta tesis analiza la posibilidad de considerar un parque eólico marino completamente (transmisión y red interna del parque) constituido mediante tecnología en CC, con el fin de poder reducir las pérdidas tanto en la red interna del parque como en el cable de exportación. En términos generales se puede concluir que todos los conceptos propuestos a lo largo de esta tesis sugieren un gran potencial para poder ser aplicados en futuros parques eólicos marinos, ya que su coste de energía se ve reducido en comparación con los parques eólicos existentes hoy en día.

Microgrids are the near future candidate to reduce the dependence on the carbon-based generation, towards a more environmentally friendly and sustainable energy paradigm. The popularization of the use of renewable energy sources has fostered the development of better technologies for microgrids, particularly power electronics and storage systems. Following the improvements in microgrid technologies achieved in the last decade, a new challenge is being faced: the control and management of microgrids for its operation in islanded mode, in addition to its large scale integration into the current electrical power system. The unregulated introduction of distributed generation based on renewable energy sources into the power system could cause as many problems as it would solve. The unpredictability of the generated power would introduce large disturbances into the electric system, making it difficult to control, and eventually resulting in an unstable system. To overcome these issues, the paradigm of microgrids has been proposed: a small power system, able to operate islanded from the main grid, which will permit the large scale introduction of renewable energy sources interfaced with power electronic converters together with energy storage systems into the distribution grids. Microgrids¿ ability to allow their users to operate islanded from the utility grid, brings the potential to offer a high quality of service. It is in the islanded operation mode, particularly in microgrids with a high proportion of renewable based generation, where the major technical challenges are found. This thesis focuses in three of the main challenges of islanded and weak electrical grids: the power converter control of electrical storage systems, its decentralized control design, and also the improvement of power quality in grids disturbed by renewable generation. These topics are addressed from a control point of view, that is, to tackle the electrical problems, modelling them and proposing advanced control strategies to improve performance of microgrids. Energy storage system are a vital element to permit the islanded operation of microgrids, either in the long or short term. New control strategies are proposed in this thesis for the improvement of the converters¿ performance. In addition to the control of the converter, the management and control of different energy storage systems for microgrids are also studied. In particular, supercapacitors and batteries have been considered for the short and long term operation, respectively. Then, the control of islanded microgrids is addressed. Typical controls for islanded microgrids are analysed and new tools for designing stable controllers are proposed. Also, methodologies to analytically obtain the operating point (power flow) of droop controlled grids are studied and proposed. The high penetration of renewable energy sources in weak low-voltage grids results in undesirable electrical disturbances. This problematic in power quality is tackled and innovative solutions to mitigate it are proposed. In particular, a novel power smoothing scheme with simultaneous state of charge regulation of the ESS and power filtering. The new power smoothing scheme, along with the proposed control strategies for storage systems have been experimentally validated in a laboratory test bench, using a supercapacitor bank and a high power lithium-ion battery available at IREC's facilities.
Les microxarxes són les candidates en un futur a curt termini, a substituir la generació basada en el carbó, de cara a assolir un sistema energètic més respectuós amb el medi ambient i més sostenible. La popularització de l'ús d'energies renovables ha fomentat la millora de les tecnologies per a microxarxes, en particular els sistemes d'emmagatzematge i l'electronica de potència. Desprès de les millores en tecnologies de microxarxes aconseguides durant l'última dècada, hi ha un nou repte al qual fer front: el control i gestió de microxarxes per la seva operació aïllada, a més de la integració a gran escala dins del sistema elèctric actual. La introducció descontrolada de fonts de generació distribuides en el sistema elèctric pot causar tants problemes com els que podria sol·lucionar. La incertesa en la producció elèctrica pot introduir grans pertorbacions al sistema elèctric, fent-lo difícil de controlar, i fins i tot el pot arribar a inestabilitzar. Per tal de fer front a aquestes dificultats, es proposa el paradigma de microxarxa: un petit sistema elèctric capaç d'operar de forma aïlla de la xarxa de distribució elèctrica, el qual hauria de permetre la integració a gran escala d'energies renovables a través de l'electrònica de potència, juntament amb sistemes d'emmagatzematge d'energia, dins de les xarxes de distribució. Les microxarxes permeten als seus usuaris a funcionar aillats de la xarxa elèctrica, donant la possibilitat d'oferir una alta qualitat de servei. És en el mode de funcionament aïllat, particularment en microxarxes amb una altra proporció de generació basada en renovables, on es troben la major part de reptes tecnològics. Aquesta tesi es centra en tres d'aquests reptes de les xarxes aillades i dèbils: el disseny del control per a convertidors de potència per a sistemes d'emmagatzematge elèctric, el control descentralitzat de les microxarxes i també la millora en la qualitat de subministre elèctric en xarxes afectades per generació renovable. Aquestes temes es tracten des d'el punt de vista de la teoria de control de sistemes, aixó significa, abordar el problema elèctric, modelar-lo, i proposar estrategies de control avançades per millorar el funcionament de les microxarxes. Els sistemes d'emmagatzematge són un element vital per permetre l'operació aïllada de les microxarxes, tant a llarg com a curt termini. En aquesta tesi es proposen noves estratègies de control per millorar el funcionament dels convertidors d'electrònica de potència. A més del control del convertidor, també s'estudia la gestió i control de diferents sistemes d'emmagatzematge d'energia per a microxarxes. En particular, supercondensador i bateries s'han considerat per l'operació a curt i llarg termini respectivament. Seguidament, s'enfila el control de microxarxes aïllades. S'analitzen els controls típics per a microxarxes i es proposen noves eines de disseny que permeten garantitzar l'estabilitat. A més a més, metodologies per a obtenir el punt d'operació (el flux de potènica) per a xarxes amb control tipus "droop" també s'estudien i proposen. L'alta penetració de fonts d'energia renovables en xarxes de baixa tensió i febles resulta en pertorbacions elèctriques indesitjables. Aquesta problematica en la qualitat de subministrament s'aborda i es proposen solucions inovadores per mitigar els efectes negatius. En particular, s'ha proposat un nou sistema de suavitzat de potència que regula simltaneament l'estat de càrrega del sistema d'emmagatzematge i filtra la potencia fluctuant. El nou esquema de suavitzat de potència, juntament amb les estrategies proposades per als sistemes d'emmagatzematge elèctric s'han validat experimentalment en un banc de laboratori, emprant superconsadors i una bateria d'alta potència, disponibles a les instal·lacions de l'IREC.

The last decades, we have witnessed different phenomenology in the telecommunications sector. One of them is the widespread use of the Internet, which has brought a sharp increase in traffic, forcing suppliers to continuously expand the capacity of networks. In the near future, Internet will be composed of long-range highspeed optical networks; a number of wireless networks at the edge; and, in between, several access technologies. Today one of the main problems of the Internet is the bottleneck in the access segment. To address this issue the Passive Optical Networks (PONs) are very likely to succeed, due to their simplicity, low-cost, and increased bandwidth. A PON is made up of fiber optic cabling and passive splitters and couplers that distribute an optical signal to connectors that terminate each fiber segment. Among the different PON technologies, the Ethernet-PON (EPON) is a great alternative to satisfy operator and user needs, due to its cost, flexibility and interoperability with other technologies. One of the most interesting challenges in such technologies relates to the scheduling and allocation of resources in the upstream (shared) channel, i.e., the resource management. The aim of this thesis is to study and evaluate current contributions and propose new efficient solutions to address the resource management issues mainly in EPON. Key issues in this context are future end-user needs, quality of service (QoS) support, energy-saving and optimized service provisioning for real-time and elastic flows. This thesis also identifies research opportunities, issue recommendations and proposes novel mechanisms associated with access networks based on optical fiber technologies.

De entre los nuevos servicios ofrecidos por las actuales redes de banda ancha, los que incluyen la transmisión de secuencias de vídeo se convertirán en un futuro próximo en algunos de los más solicitados por los usuarios. Actualmente, estos servicios son principalmente transportados por canales de tasa binaria constante. Sin embargo, el tráfico de vídeo es por naturaleza variable, con lo que la utilización de recursos de red se vería sustancialmente mejorada utilizando canales de tasa variable.
En este trabajo se plantea el problema de la transmisión eficiente de tráfico de vídeo comprimido MPEG de tasa variable sobre redes ATM de banda ancha. Para ello, en primer lugar se realiza un estudio de los algoritmos de compresión y de los mecanismos de transmisión más comúnmente utilizados en la actualidad. Además, se introducen algunas de las especificaciones que se encargan de estandarizar sistemas y servicios relacionados con la transmisión de vídeo, como el vídeo bajo demanda del ATM Forum o las especificaciones DAVIC.
Posteriormente se lleva a cabo una caracterización del tráfico de vídeo, con objeto de entender la naturaleza del tráfico que se va a entregar a la red para su transmisión. Una de las principales características de este tipo de tráfico es la presencia de dependencias a corto y largo plazo. Estas dependencias son modeladas en este trabajo mediante un filtro ARIMA fraccional, que finalmente se propondrá para la generación artificial de tráfico de vídeo.
Uno de los principales problemas inherentes al algoritmo de codificación MPEG es que la tasa binaria resultante presenta un comportamiento periódico que se repite cada cierto número de imágenes. Este comportamiento es perjudicial tanto cuando se trata de asignar eficientemente recursos de red como cuando se trata de multiplexar distintas secuencias de vídeo. Con objeto de eliminar este comportamiento sin introducir retardos adicionales, se propone un conformador predictivo de tráfico que es comparado con otros esquemas propuestos. La comparación se lleva a cabo por un lado mediante el estudio de los parámetros y funciones que definen la variabilidad de las secuencias estudiadas. Por otra parte, se analizan los recursos necesarios para la transmisión y multiplexación de fuentes de vídeo conformadas y sin conformar.
Finalmente, con objeto de lograr una utilización lo más eficiente posible de los recursos de red, manteniendo una alta calidad de servicio, se propone un esquema de renegociación del ancho de banda asignado. Con este sistema, en momentos de menor actividad se liberarán recursos que podrán ser utilizados por otras conexiones, tanto de servicios de vídeo a tasa variable, como de servicios de tasa constante o de tasa disponible. Por el contrario, en momentos de gran actividad, se podrán solicitar más recursos a la red de forma que el usuario final no perciba ningún cambio en la calidad del servicio que se le está suministrando. El método presentado se basa en la caracterización previa del tráfico de vídeo mediante un modelo de fluidos bidimensional que captura las dependencias a corto y largo plazo del tráfico. Al ser utilizado para la transmisión de un tráfico que previamente ha sido conformado, el modelo debe capturar el comportamiento del tráfico promediado sobre un determinado número de imágenes. Además, permite la detección de los intervalos de distinta actividad, que se han denominado de actividad regular, de gran actividad y de actividad elevada.

In recent times we are witnessing the emergence of a wide variety of information systems that tailor the information-exchange functionality to meet the specific interests of their users. Most of these personalized information systems capitalize on, or lend themselves to, the construction of profiles, either directly declared by a user, or inferred from past activity. The ability of these systems to profile users is therefore what enables such intelligent functionality, but at the same time, it is the source of serious privacy concerns. Although there exists a broad range of privacy-enhancing technologies aimed to mitigate many of those concerns, the fact is that their use is far from being widespread. The main reason is that there is a certain ambiguity about these technologies and their effectiveness in terms of privacy protection. Besides, since these technologies normally come at the expense of system functionality and utility, it is challenging to assess whether the gain in privacy compensates for the costs in utility. Assessing the privacy provided by a privacy-enhancing technology is thus crucial to determine its overall benefit, to compare its effectiveness with other technologies, and ultimately to optimize it in terms of the privacy-utility trade-off posed. Considerable effort has consequently been devoted to investigating both privacy and utility metrics. However, most of these metrics are specific to concrete systems and adversary models, and hence are difficult to generalize or translate to other contexts. Moreover, in applications involving user profiles, there are a few proposals for the evaluation of privacy, and those existing are not appropriately justified or fail to justify the choice. The first part of this thesis approaches the fundamental problem of quantifying user privacy. Firstly, we present a theoretical framework for privacy-preserving systems, endowed with a unifying view of privacy in terms of the estimation error incurred by an attacker who aims to disclose the private information that the system is designed to conceal. Our theoretical analysis shows that numerous privacy metrics emerging from a broad spectrum of applications are bijectively related to this estimation error, which permits interpreting and comparing these metrics under a common perspective. Secondly, we tackle the issue of measuring privacy in the enthralling application of personalized information systems. Specifically, we propose two information-theoretic quantities as measures of the privacy of user profiles, and justify these metrics by building on Jaynes' rationale behind entropy-maximization methods and fundamental results from the method of types and hypothesis testing. Equipped with quantifiable measures of privacy and utility, the second part of this thesis investigates privacy-enhancing, data-perturbative mechanisms and architectures for two important classes of personalized information systems. In particular, we study the elimination of tags in semantic-Web applications, and the combination of the forgery and the suppression of ratings in personalized recommendation systems. We design such mechanisms to achieve the optimal privacy-utility trade-off, in the sense of maximizing privacy for a desired utility, or vice versa. We proceed in a systematic fashion by drawing upon the methodology of multiobjective optimization. Our theoretical analysis finds a closed-form solution to the problem of optimal tag suppression, and to the problem of optimal forgery and suppression of ratings. In addition, we provide an extensive theoretical characterization of the trade-off between the contrasting aspects of privacy and utility. Experimental results in real-world applications show the effectiveness of our mechanisms in terms of privacy protection, system functionality and data utility.

The growth in user demand for higher mobile data rates is driving Mobile Network Operators (MNOs) and network infrastructure vendors towards the adoption of innovative solutions in areas that span from physical layer techniques (e.g., carrier aggregation, massive MIMO, etc.) to the Radio Access Network and the Evolved Packet Core, amongst other. In terms of network capacity, out of a millionfold increase since 1957, the use of wider spectrum (25x increase), the division of spectrum into smaller resources (5x), and the introduction of advanced modulation and coding schemes (5x) have played a less significant role than the improvements in system capacity due to cell size reduction (1600x). This justifies the academic and industrial interest in short-range, low-power cellular base stations, such as small cells. The shift from traditional macrocell-based deployments towards heterogeneous cellular networks raises the need for new architectural and procedural frameworks capable of providing a seamless integration of massive deployments of small cells into the existing cellular network infrastructure. This is particularly challenging for large-scale, all-wireless networks of small cells (NoS), where connectivity amongst base stations is provided via a wireless multi-hop backhaul. Networks of small cells are a cost-effective solution for improving network coverage and capacity in high user-density scenarios, such as transportation hubs, sports venues, convention centres, dense urban areas, shopping malls, corporate premises, university campuses, theme parks, etc. This Ph.D. Thesis provides an answer to the following research question: What is the architectural and procedural framework needed to support efficient traffic and mobility management mechanisms in massive deployments of all-wireless 3GPP Long-Term Evolution networks of small cells? In order to do so, we address three key research challenges in NoS. First, we present a 3GPP network architecture capable of supporting large-scale, all-wireless NoS deployments in the Evolved Packet System. This involves delegating core network functions onto new functional entities in the network of small cells, as well as adapting Transport Network Layer functionalities to the characteristics of a NoS in order to support key cellular services. Secondly, we address the issue of local location management, i.e., determining the approximate location of a mobile terminal in the NoS upon arrival of an incoming connection from the core network. This entails the design, implementation, and evaluation of efficient paging and Tracking Area Update mechanisms that can keep track of mobile terminals in the complex scenario of an all-wireless NoS whilst mitigating the impact on signalling traffic throughout the local NoS domain and towards the core network. Finally, we deal with the issue of traffic management in large-scale networks of small cells. On the one hand, we propose new 3GPP network procedures to support direct unicast communication between LTE terminals camped on the same NoS with minimal involvement from functional entities in the Evolved Packet Core. On the other hand, we define a set of extensions to the standard 3GPP Multicast/Broadcast Multimedia Service (MBMS) in order to improve the quality of experience of multicast/broadcast traffic services in high user-density scenarios.
El crecimiento de la demanda de tasas de transmisión más altas está empujando a los operadores de redes móviles y a los fabricantes de equipos de red a la adopción de soluciones innovadoras en áreas que se extienden desde técnicas avanzadas de capa física (agregación de portadoras, esquemas MIMO masivos, etc.) hasta la red de acceso radio y troncal, entre otras. Desde 1957 la capacidad de las redes celulares se ha multiplicado por un millón. La utilización de mayor espectro radioeléctrico (incremento en factor 25), la división de dicho espectro en recursos más pequeños (factor 5) y la introducción de esquemas avanzados de modulación y codificación (factor 5) han desempeñado un papel menos significativo que las mejoras en la capacidad del sistema debidas a la reducción del tamaño de las celdas (factor 1600). Este hecho justifica el interés del mundo académico y de la industria en estaciones base de corto alcance y baja potencia, conocidas comúnmente como small cells. La transición de despliegues tradicionales de redes celulares basados en macroceldas hacia redes heterogéneas pone de manifiesto la necesidad de adoptar esquemas arquitecturales y de procedimientos capaces de proporcionar una integración transparente de despliegues masivos de small cells en la actual infraestructura de red celular. Este aspecto es particularmente complejo en el caso de despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells (NoS, en sus siglas en inglés), donde la conectividad entre estaciones base se proporciona a través de una conexión troncal inalámbrica multi-salto. En general, las redes de small cells son una solución eficiente para mejorar la cobertura y la capacidad de la red celular en entornos de alta densidad de usuarios, como núcleos de transporte, sedes de eventos deportivos, palacios de congresos, áreas urbanas densas, centros comerciales, edificios corporativos, campus universitarios, parques temáticos, etc. El objetivo de esta Tesis de Doctorado es proporcionar una respuesta a la siguiente pregunta de investigación: ¿Cuál es el esquema arquitectural y de procedimientos de red necesario para soportar mecanismos eficientes de gestión de tráfico y movilidad en despliegues masivos de redes inalámbricas de small cells LTE? Para responder a esta pregunta nos centramos en tres desafíos clave en NoS. En primer lugar, presentamos una arquitectura de red 3GPP capaz de soportar despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells en el Evolved Packet System, esto es, el sistema global de comunicaciones celulares LTE. Esto implica delegar funciones de red troncal en nuevas entidades funcionales desplegadas en la red de small cells, así como adaptar funcionalidades de la red de transporte a las características de una NoS para soportar servicios celulares clave. En segundo lugar, nos centramos en el problema de la gestión de movilidad local, es decir, determinar la localización aproximada de un terminal móvil en la NoS a la llegada de una solicitud de conexión desde la red troncal. Esto incluye el diseño, la implementación y la evaluación de mecanismos eficientes de paging y Tracking Area Update capaces de monitorizar terminales móviles en el complejo escenario de redes de small cells inalámbricas que, a la vez, mitiguen el impacto sobre el tráfico de señalización en el dominio local de la NoS y hacia la red troncal. Finalmente, estudiamos el problema de gestión de tráfico en despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells. Por un lado, proponemos nuevos procedimientos de red 3GPP para soportar comunicaciones unicast directas entre terminales LTE registrados en la misma NoS con mínima intervención por parte de entidades funcionales en la red troncal. Por otro lado, definimos un conjunto de extensiones para mejorar la calidad de la experiencia del servicio estándar 3GPP de transmisión multicast/broadcast de tráfico multimedia (MBMS, en sus siglas en inglés) en entornos de alta densidad de usuarios.

Nowadays, people expectations for ubiquitous connectivity is continuously growing. Cities are now moving towards the smart city paradigm. Electricity companies aims to become part of smart grids. Internet is no longer exclusive for humans, we now assume the Internet of everything. We consider that Wireless Mesh Networks (WMNs) have a set of valuable features that will make it an important part of such environments. WMNs can also be use in less favored areas thanks to their low-cost deployment. This is socially relevant since it facilitates the digital divide reduction and could help to improve the population quality of life. Research and industry have been working these years in open or proprietary mesh solutions. Standardization efforts and real deployments establish a solid starting point.We expect that WMNs will be a supporting part for an unlimited number of new applications from a variety of fields: community networking, intelligent transportation systems, health systems, public safety, disaster management, advanced metering, etc. For all these cases, the growing needs of users for real-time and multimedia information is currently evident. On this basis, this thesis proposes a set of contributions to improve the performance of an application service of such type and to promote the better use of two critical resources (memory and energy) of WMNs.For the offered service, this work focuses on a Video on Demand (VoD) system. One of the requirements of this system is the high capacity support. This is mainly achieved by distributing the video contents among various distribution points which in turn consist of several video servers. Each client request that arrives to such video server cluster must be handled by a specific server in a way that the load is balanced. For such task, this thesis proposes a mechanism to appropriately select a specific video server such that the transfer time at the cluster could be minimized.On the other hand, mesh routers that creates the mesh backbone are equipped with multiple interfaces from different technologies and channel types. An important resource is the amount of memory intended for buffers. The quality of service perceived by the users are largely affected by the size of such buffers. This is because important network performance parameters such as packet loss probability, delay, and channel utilization are highly affected by the buffer sizes. An efficient use of memory for buffering, in addition to facilitate the mesh devices scalability, also prevents the problems associated with excessively large buffers. Most of the current works associate the buffer sizing problem with the dynamics of TCP congestion control mechanism. Since this work focuses on real time services, in which the use of TCP is unfeasible, this thesis proposes a dynamic buffer sizing mechanism mainly dedicated for such real time flows. The approach is based on the maximum entropy principle and allows that each device be able to dynamically self-configure its buffers to achieve more efficient memory utilization. The proper performance of the proposal has been extensively evaluated in wired and wireless interfaces. Classical infrastructure-based wireless and multi-hop mesh interfaces have been considered. Finally, when the WMN is built by the interconnection of user hand-helds, energy is a limited and scarce resource, and therefore any approach to optimize its use is valuable. For this case, this thesis proposes a topology control mechanism based on centrality metrics. The main idea is that, instead of having all the devices executing routing functionalities, just a subset of nodes are selected for this task. We evaluate different centralities, form both centralized and distributed perspectives. In addition to the common random mobility models we include the analysis of the proposal with a socially-aware mobility model that generates networks with a community structure.
Actualmente las expectativas de las personas de una conectividad ubicua están creciendo. Las ciudades están trabajando para alcanzar el paradigma de ciudades inteligentes. Internet ha dejado de ser exclusivo de las personas y ahora se asume el Internet de todo. Las redes inalámbricas de malla (WMNs) poseen un valioso conjunto de características que las harán parte importante de tales entornos. Las WMNs pueden utilizarse en zonas menos favorecidas debido a su despliegue económico. Esto es socialmente relevante ya que facilita la reducción de la brecha digital y puede ayudar a mejorar la calidad de vida de la población. Los esfuerzos de estandarización y los despliegues de redes reales establecen un punto de partida sólido.Se espera entonces, que las WMNs den soporte a un número importante de nuevas aplicaciones y servicios, de una variedad de campos: redes comunitarias, sistemas de transporte inteligente, sistemas de salud y seguridad, operaciones de rescate y de emergencia, etc. En todos estos casos, es evidente la necesidad de disponer de información multimedia y en tiempo real. En base a estos precedentes, esta tesis propone un conjunto de contribuciones para mejorar el funcionamiento de un servicio de este tipo y promover un uso eficiente de dos recursos críticos (memoria y energía) de las WMNs.Para el servicio ofrecido, este trabajo se centra en un sistema de video bajo demanda. Uno de los requisitos de estos sistemas es el de soportar capacidades elevadas. Esto se consigue principalmente distribuyendo los contenidos de video entre diferentes puntos de distribución, los cuales a su vez están formados por varios servidores. Cada solicitud de un cliente que llega a dicho conjunto de servidores debe ser manejada por un servidor específico, de tal forma que la carga sea balanceada. Para esta tarea, esta tesis propone un mecanismo que selecciona apropiadamente un servidor de tal manera que el tiempo de transferencia del sistema sea minimizado.Por su parte, los enrutadores de malla que crean la red troncal están equipados con múltiples interfaces de diferentes tecnologías y tipos de canal. Un recurso muy importante para éstos es la memoria destinada a sus colas. La calidad de servicio percibida por los usuarios está altamente influenciada por el tamaño de las colas. Esto porque parámetros importantes del rendimiento de la red como la probabilidad de pérdida de paquetes, el retardo, y la utilización del canal se ven afectados por dicho tamaño. Un uso eficiente de tal memoria, a más de facilitar la escalabilidad de los equipos, también evita los problemas asociados a colas muy largas. La mayoría de los trabajos actuales asocian el problema de dimensionamiento de las colas con la dinámica del mecanismo de control de congestión de TCP. Debido a que este trabajo se enfoca en servicios en tiempo real, en los cuales no es factible usar TCP, esta tesis propone un mecanismo de dimensionamiento dinámico de colas dedicado principalmente a flujos en tiempo real. La propuesta está basada en el principio de máxima entropía y permite que los dispositivos sean capaces de auto-configurar sus colas y así lograr un uso más eficiente de la memoria. Finalmente, cuando la WMN se construye a través de la interconexión de los dispositivos portátiles, la energía es un recurso limitado y escaso, y cualquier propuesta para optimizar su uso es muy valorada. Para esto, esta tesis propone un mecanismo de control de topología basado en métricas de centralidad. La idea principal es que en lugar de que todos los dispositivos realicen funciones de enrutamiento, solo un subconjunto de nodos es seleccionado para esta tarea. Se evalúan diferentes métricas, desde una perspectiva centralizada y otra distribuida. A más de los modelos aleatorios clásicos de movilidad, se incluye el análisis de la propuesta con modelos de movilidad basados en información social que toman en cuenta el comportamiento humano y generan redes con una clara estructura de comunidades

This thesis presents the conception, design and implementation of new topologies of multimodal microwave resonators and filters, using a combination of uniplanar technologies such as coplanar waveguide (CPW), coplanar strips (CPS) and slotlines. The term "multimodal" refers to uniplanar circuits in which the two fundamental modes of the CPW propagate (the even and the odd mode). By using both modes of the CPW, it is possible to achieve added functions, such as additional transmission zeros to increase the rejection, or to attenuate harmonic frequencies to improve the out-of-band rejection. Moreover, it is demonstrated that by using multimodal circuits, it is possible to reduce the length of of a conventional filter up to 80%. In addition to bandpass filters, new topologies of compact band-stop filters are developed. The proposed band-stop filters make use of slow-wave resonators to decrease the total area of the filters and achieve compact topologies. This work also addresses the development of synthesis techniques for each multimodal filter. The design equations were obtained from generalized multimodal circuits available in the literature, which have been adapted for each particular case and modeled as basic filter components, such as immitance inverters or lumped elements. By using the proposed synthesis equations, it is possible to design filters with a desired response and relative bandwidth. The use of the proposed synthesis enables a fast analysis and design of multimodal filters using circuit simulators. As an added feature, several reconfigurable and tunable filter topologies were demonstrated, using active devices (PIN diodes and varactors) or RF-MEMS. These new topologies demonstrate the flexibility of multimodal circuits. For the RF-MEMS-based tunable filters, different capacitive and ohmic switches were designed, fabricated and measured. As an example of the additional degrees of freedom using of RF-MEMS and multimodal CPW circuits, a reconfigurable filter using RF-MEMS switchable air-bridges as a reconfiguration device has been demonstrated in this work for the first time.

The modern power grid is facing major challenges in the transition to a low-carbon energy sector. The growing energy demand and environmental concerns require carefully revisiting how electricity is generated, transmitted, and consumed, with an eye to the integration of renewable energy sources. The envisioned smart grid is expected to address such issues by introducing advanced information, control, and communication technologies into the energy infrastructure. In this context, demand-side management (DSM) makes the end users responsible for improving the efficiency, reliability and sustainability of the power system: this opens up unprecedented possibilities for optimizing the energy usage and cost at different levels of the network. The design of DSM techniques has been extensively discussed in the literature in the last decade, although the performance of these methods has been scarcely investigated from the analytical point of view. In this thesis, we consider the demand-side of the electrical network as a multiuser system composed of coupled active consumers with DSM capabilities and we propose a general framework for analyzing and solving demand-side management problems. Since centralized solution methods are too demanding in most practical applications due to their inherent computational complexity and communication overhead, we focus on developing efficient distributed algorithms, with particular emphasis on crucial issues such as convergence speed, information exchange, scalability, and privacy. In this respect, we provide a rigorous theoretical analysis of the conditions ensuring the existence of optimal solutions and the convergence of the proposed algorithms. Among the plethora of DSM methods, energy consumption scheduling (ECS) programs allow to modify the user's demand profile by rescheduling flexible loads to off-peak hours. On the other hand, incorporating dispatchable distributed generation (DG) and distributed storage (DS) into the demand-side of the network has been shown to be equally successful in diminishing the peak-to-average ratio of the demand curve, plus overcoming the limitations in terms users' inconvenience introduced by ECS. Quite surprisingly, while the literature has mostly concentrated on ECS techniques, DSM approaches based on dispatchable DG and DS have not attracted the deserved attention despite their load-shaping potential and their capacity to facilitate the integration of renewable sources. In this dissertation, we fill this gap and devise accurate DSM models to study the impact of dispatchable DG and DS at the level of the end users and on the whole electricity infrastructure. With this objective in mind, we tackle several DSM scenarios, starting from a deterministic day-ahead optimization with local constraints and culminating with a stochastic day-ahead optimization combined with real-time adjustments under both local and global requirements. Each task is complemented by defining appropriate network and pricing models that enable the implementation of the DSM paradigm in realistic energy market environments. In this regard, we design both user-oriented and holistic-based DSM optimization frameworks, which are respectively applicable to competitive and externally regulated market scenarios. Numerical results are reported to corroborate the presented distributed schemes. On the one hand, the users' electricity expenditures are consistently reduced, which encourages their active and voluntary participation in the proposed DSM programs; on the other hand, this results in a lower generation costs and enhances the robustness of the whole grid.
La xarxa elèctrica moderna s'enfronta a enormes reptes en la transició cap a un sector energètic de baixa generació de carboni. La creixent demanda d'energia i les preocupacions ambientals requereixen revisar acuradament com es genera, transmet, i consumeix l'electricitat, amb l'objectiu de la integració de les fonts d'energia renovables. S'espera que el concepte de smart grid pugui abordar aquestes qüestions mitjançant la introducció d’informació avançada, control i tecnologies de la comunicació en la infraestructura energètica. En aquest context, el concepte de gestió de la demanda (DSM) fa que els usuaris finals siguin responsables de millorar l’eficiència, la fiabilitat i la sostenibilitat del sistema de potència obrint possibilitats sense precedents per a l’optimització de l’ús i el cost de l'energia en els diferents nivells de la xarxa. El disseny de tècniques de DSM s'ha debatut àmpliament en la literatura durant l’ultima dècada, tot i que el rendiment d'aquests mètodes ha estat poc investigat des del punt de vista analític. En aquesta tesi es considera la demanda de la xarxa elèctrica com un sistema multiusuari format per consumidors actius amb capacitats de DSM i es proposa un marc general per analitzar i resoldre problemes de gestió. Donat que els mètodes de solució centralitzats són excessivament exigents per a aplicacions pràctiques per la seva complexitat computacional i al inherent sobrecost de comunicació, ens centrem en el desenvolupament d'algorismes distribuïts, amb especial èmfasi en temes crucials com la velocitat de convergència, l'intercanvi d’informació, l'escalabilitat i la privacitat. En aquest sentit, oferim un rigorós anàlisi teòric de les condicions que garanteixen l’existència de solucions òptimes i la convergència dels algorismes proposats. Entre la gran quantitat de mètodes de DSM, els programes de programació del consum d'energia (ECS) permeten modificar el perfil de la demanda dels usuaris a través de la reprogramació de càrregues flexibles durant hores de baix consum. D'altra banda, la incorporació de generació distribuïda (DG) i d'emmagatzematge distribuït (DS) ha demostrat ser igualment eficaç disminuint la relació entre potència de pic i mitja de la corba de demanda, evitant els inconvenients introduïts pel ECS als usuaris. Sorprenentment, si bé que la literatura s'ha concentrat sobretot en les tècniques de ECS, les tècniques de DSM basades en DG i DS no han atret l’atenció merescuda malgrat el seu potencial de confirmació de la càrrega i la seva capacitat de facilitar la integració de les fonts renovables. En aquesta tesi, omplim aquest buit i elaborem models precisos de DSM per estudiar l'impacte de DG i DS a nivell dels usuaris finals i de tota la infraestructura elèctrica . Tenint present aquest objectiu, fem front a diversos escenaris de DSM, partint d'una optimització sobre les previsions amb un dia d’antelació (day-ahead). Es considera des del cas determinista amb restriccions locals fins al cas estocàstic combinat amb ajustos en temps real i amb restriccions locals i globals. Cada tasca es complementa amb la definició de models de xarxa i de tarifació apropiats que permetin la posada en pràctica del paradigma de DSM en entorns realistes del mercat energètic. En aquest sentit vam dissenyar marcs d’optimització de DSM globals i orientats als usuaris, que són respectivament aplicables a situacions de mercat competitives i regulades externament. Els resultats numèrics reportats corroboren els esquemes distribuïts presentats. D'una banda, les despeses d'electricitat dels usuaris es redueixen de forma consistent, el que fomenta la seva participació activa en els programes de DSM proposats; per una altra banda, aquesta optimització resulta en un cost de generació inferior i millora la robustesa de tota la xarxa.
La red eléctrica moderna se enfrenta a enormes retos en la transición hacia un sector energético de baja generación de carbono. La creciente demanda de energía y las preocupaciones ambientales requieren revisar cuidadosamente cómo se genera, transmite y consume la electricidad, con vista a la integración de las fuentes de energía renovable. Se espera que el concepto de smart grid pueda abordar estas cuestiones mediante la introducción de información avanzada, control y tecnologías de la comunicación en la infraestructura energética. En este contexto, el concepto de gestión de la demanda (DSM) hace que los usuarios finales sean responsables de mejorar la eficiencia, la fiabilidad y la sostenibilidad del sistema de potencia abriéndose posibilidades sin precedentes para la optimización del uso y el coste de la energía en los diferentes niveles de la red. El diseño de técnicas de DSM se ha debatido ampliamente en la literatura en la última década, aunque el rendimiento de estos métodos ha sido poco investigado desde el punto de vista analítico. En esta tesis se considera la demanda de la red eléctrica como un sistema multiusuario compuesto por consumidores activos con capacidades de DSM y se propone un marco general para analizar y resolver problemas de gestión de demanda. Dado que los métodos de solución centralizados son excesivamente exigentes para aplicaciones prácticas debido a su complejidad computacional y al inherente sobrecoste de comunicación, nos centramos en el desarrollo de algoritmos distribuidos, con especial énfasis en temas cruciales como la velocidad de convergencia, el intercambio de información, la escalabilidad y la privacidad. En este sentido, ofrecemos un riguroso análisis teórico de las condiciones que garantizan la existencia de soluciones óptimas y la convergencia de los algoritmos propuestos. Entre la gran cantidad de métodos de DSM, los programas de programación del consumo de energía (ECS) permiten modificar el perfil de la demanda de los usuarios a través de la reprogramación de cargas flexibles durante horas de bajo consumo. Por otro lado, la incorporación de generación distribuida (DG) y de almacenamiento distribuido (DS) ha demostrado ser igualmente eficaz disminuyendo la relación entre potencia de pico y media de la curva de demanda, evitando los inconvenientes introducidos por el ECS a los usuarios. Sorprendentemente, mientras que la literatura se ha concentrado sobre todo en las técnicas de ECS, los programas de DSM basados en DG y DS no han atraído la atención merecida a pesar de su potencial de conformación de la carga y su capacidad de facilitar la integración de las fuentes renovables. En esta tesis, llenamos este vacío y elaboramos modelos precisos de DSM para estudiar el impacto de DG y DS a nivel de los usuarios finales y de toda la infraestructura eléctrica. Teniendo presente este objetivo, hacemos frente a varios escenarios de DSM, a partir de una optimización sobre las previsiones con un día de antelación (day-ahead). Se considera desde el caso determinista con restricciones locales hasta el caso estocástico combinado con ajustes en tiempo real y con restricciones locales y globales. Cada tarea se complementa con la definición de modelos de red y de tarificación apropiados que permitan la puesta en práctica del paradigma de DSM en entornos realistas del mercado energético. En este sentido diseñamos marcos de optimización de DSM globales y orientados a los usuarios, que son respectivamente aplicables a situaciones de mercado competitivas y reguladas externamente. Los resultados numéricos reportados corroboran los esquemas distribuidos presentados. Por un lado, los gastos de electricidad de los usuarios se reducen de forma consistente, lo que fomenta su participación activa en los programas de DSM propuestos; por otra parte, esta optimización resulta en un coste de generación inferior y mejora la robustez de toda la red

This Ph.D. thesis dissertation addresses multi-resolution image decomposition, a key issue in signal processing that in recent years has contributed to the emergence of the JPEG2000 image compression standard. JPEG2000 incorporates many interesting features, mainly due to the discrete wavelet transform stage and to the EBCOT entropy coder.

Wavelet analysis perform multi-resolution decompositions that decorrelate signal and separate information in useful frequency-bands, allowing flexible post-coding. In JPEG2000, decomposition is computed through the lifting scheme, the so-called second generation wavelets. This fact has focused the community interest on this tool. Many works have been recently proposed in which lifting is modified, improved, or included in a complete image coding algorithm.

The Ph.D. thesis dissertation follows this research line. Lifting is analyzed, proposals are made within the scheme, and their possibilities are explored. Image compression is the main objective and it is principally assessed by means of coding transformed signal with EBCOT and SPIHT coders. Starting from this context, the work diverges in two distinct paths, the linear and the nonlinear one.

The linear lifting filter construction is based on the idea of quadratic interpolation and the underlying linear restriction due to the wavelet transform coefficients. The result is a flexible framework that allows the creation of new transforms using different criteria and that may adapt to the image statistics.

The nonlinear part is founded on the adaptive lifting scheme, which is extensively analyzed and as a consequence, a generalization of the lifting is proposed. The discrete version of the generalized lifting is developed leading to filters that achieve good compression results, specially for biomedical and remote sensing images.
Esta tesis aborda el problema de la descomposición multi-resolución, tema clave en procesado del señal que ha llevado estos últimos años a la creación del sobresaliente estándar JPEG2000 de compresión de imágenes. JPEG2000 incorpora una serie de funcionalidades muy interesantes debido básicamente a la transformada wavelet discreta y al codificador entrópico EBCOT.

La transformada wavelet realiza una descomposición multi-resolución que decorrela la señal separando la información en un conjunto de bandas frecuenciales útiles para la posterior codificación. En JPEG2000, la descomposición se calcula mediante el esquema lifting, también llamado wavelet de segunda generación. La integración del esquema lifting en el estándar ha centrado el interés de muchos investigadores en esta herramienta. Recientemente, han aparecido numerosos trabajos proponiendo modificaciones y mejoras del lifting, así como su inclusión en nuevos algoritmos de codificación de imágenes.

La tesis doctoral sigue esta línea de investigación. Se estudia el lifting, se hacen propuestas dentro del esquema y sus posibilidades se exploran. Se ha fijado la compresión de imágenes como el principal objetivo para la creación de nuevas transformadas wavelet, que se evalúan en su mayor parte mediante la codificación de la señal transformada con EBCOT o SPIHT. Dentro de este contexto, el trabajo diverge en dos caminos distintos, el lineal y el no lineal.

La construcción de filtros lifting lineales se basa en la idea de interpolación cuadrática y la restricción lineal subyacente de los coeficientes wavelet. El resultado es un marco de trabajo flexible que permite la creación de transformadas con distintos criterios y adaptables a la estadística de la imagen.

La parte no lineal tiene sus fundamentos en el esquema lifting adaptativo, del cuál se ofrece un extenso análisis y como consecuencia se propone una generalización del lifting. Su versión discreta se desarrolla consiguiendo filtros lifting que obtienen buenos resultados, sobretodo en imágenes biomédicas y de detección remota.

This research is developed in the context of the Next Generation of Passive Optical Networks (NG-PON) for Fibre to the Home (FTTH) network. In this thesis, several techniques are proposed in order to increase the network capacity, dealing with the main optical impairments present in PON with minimum infrastructure, and with the goals of wavelength transparency and cost effectiveness. The main issues in this work are the photodetection process over chromatic dispersion (CD) and ASE noise impairments, the mitigation strategies for Rayleigh Backscattering (RB) effect and the WDM-PON RSOA-based ONUs, with their limitations of bandwidth and chirp. Regarding photodetection, a novel module which performs the mathematical function SQRT has demonstrated its linearizing capability at partially compensating the square-law of the photon to electron conversion process after reception. Improvements in RoF systems in terms of harmonics level reduction and in digital transmissions with linear FFE equalizers have been achieved. Also, the complexity requirements in MLSE receivers are reduced after the SQRT module. This module has been implemented electronically, first, by using the intrinsic non-linearity of the schottky diodes, on a microstrip circuit. After that, a MMIC chip has been designed and experimentally tested. But the SQRT module is also useful for other applications as downstream cancellation in the upstream signal in bidirectional transmissions, and to reduce the amplitude differences of the different packets in burst mode receivers, relaxing the adjustment requirements for the following limiting amplifiers. The statistics of the received signals in optically amplified (ASE dominant) systems have been also studied. The optimum function, capable of recovering the Gaussian distribution after detection, has been obtained. For systems working at FEC limit, like with MLSE, the improvement over SQRT is small, validating the good performance of the SQRT module. RB effect has been mitigated by using wavelength shifting at the ONU premises. Several wavelength shifter devices have been proposed for the first time, based in 2 and 3 arms capable of translating (in several GHz) the wavelength that comes from the OLT to avoid the overlap between the upstream signal and the RB, while maintaining the signal in the same AWG channel. These devices are less complex than the recently proposed 4-arm structures and require simpler signals than the sawtooth that is necessary for a 1-arm phase modulator. Experimental validation of the WS technique for RB mitigation has been performed, first with a commercial dual arm MZM and after by using a RSOA with a low duty square signal with improvements of 5 to 7dB in tolerance to RB. The new standards that have just been approved (XG-PON, 10G-EPON) propose the upgrading of the network towards symmetrical 10G/10G operation. However, RSOA’s bandwidth and chirp still limit the performance at these bit rates. The first 10Gb/s transmission in real time and with low BER (10-9) using a RSOA as an intensity modulator has been reported by using some of the techniques presented in this thesis: duobinary transmission and detuned optical filtering plus DFE-FFE equalization. Other techniques proposed and experimentally tested are the phase adjustment with a programmable optical filter and the direct detection together with MLSE equalization.
Aquest treball de recerca està desenvolupat en el context de la nova generació de xarxes òptiques passives (NG-PON) de fibra fins a la llar (Fibre to the Home (FTTH)). En aquesta tesi, s’han proposat diverses tècniques que permeten augmentar la capacitat de la xarxa, tractant les principals degradacions presents en les xarxes PON amb la mínima infrestuctura, amb els objectius de mínim cost i transparència front a la longitud d’ona triada per a la transmissió. Els principals temes d’aquest treball són el procés de fotodetecció després d’una transmissió amb dispersió cromàtica (CD) i soroll d’emissió espontània (ASE), les estratègies per combatre l’efecte de Rayleigh Backscattering (RB) en la trasmissió bidireccional amb la mateixa longitud d’ona i les xarxes PON basades en unitats d’usuari (ONU) que utilitzen l’ amplificador semiconductor reflexiu (RSOA) com a transmissor, amb les seves limitacions d’ample de banda i chirp. Pel que fa a la fotodetecció, un dispositiu novedós que realitza la funció matemàtica arrel quadrada (SQRT) ha demostrat la seva capacitat de linearització al compensar parcialment la funció quadrada del procés de conversió de fotó a electró després de recepció. S’ha aconsegit millorar les prestacions en xarxes de ràdio sobre fibra en termes de reducció del nivel d’harmònics i també en transmissió de senyals digitals amb equalitzadors electrònics lineals. La complexitat de l’ equalitzador de màxima verosimilitud, o MLSE, es redueix si s’utilitza el mòdul SQRT. Aquest dispositiu s’ha implementat electrònicament en un circuit microstrip amb dos diodes schottky i també en un xip MMIC . El bloc SQRT també és útil per aplicacions de cancel•lació del senyal de baixada present en el senyal de pujada en les transmissions bidireccionals i per igualar l’amplitud dels paquets en senyals que es reben a ràfegues (burst mode). L’estadística del senyal rebut en sistemes amplificats òpticament (on domina el soroll ASE) també ha estat estudiat. La funció òptima, capaç de recuperar la distribució estadistica Gaussiana després de detecció, ha estat obtinguda. Per sistemes que treballen amb un nivell de errors en el límit FEC, com el MLSE, la millora de la funció òptima és molt petita front la SQRT, demostrant el bon funcionament del mòdul SQRT. L’efecte de RB s’ha minimitzat utilitzant la tècnica de desplaçar la longitud d’ona del senyal de baixada a la ONU. S’han disenyat diversos dispositius electro-òptics capaços de realitzar aquest desplaçament, utilitzant unes configuracions novedoses basades en 2 i 3 branques. L’efecte RB és redueix evitant el sol•lapament espectral però mantenint la longitud d’ona dins el mateix canal del AWG. Aquests dispositius són més senzills que les recentment proposades estructures basades en 4 branques i requereixen senyals més simples que el dent de serra necessari per al modulador de fase d’una branca. La tècnica WS s’ha validat experimentalment usant un MZM comercial i també usant un RSOA, aconseguint-se unes millores de 5 a 7 dB en tolerància a RB. Els nous estàndards que han estat recentment aprovats (XG-PON, 10G-EPON) proposen l’evolució de la xarxa passiva cap a la transmissió simètrica a 10Gb/s. La realitat és, però, que l’ample de banda i el chirp limiten la utilització de RSOAs a aquesta velocitat. La primera transmissió a 10Gb/s en temps real amb baixa tasa d’errors (BER=10-9) usant el RSOA com a modulador d’intensitat a la ONU ha estat presentat utilitzant les tècniques explicades en aquesta tesi: modulació duobinaria i filtrat òptic desplaçat amb equalització electrònica (DFE-FFE). Altres mètodes utilitzats han estat l’adjust de la fase amb un filtre òptic programable i el MLSE.

In recent years, wireless sensor networks have attracted considerable attention in the research community. Their development, induced by technological advances in microelectronics, wireless networking and battery fabrication, is mainly motivated by a large number of possible applications such as environmental monitoring, industrial process control, goods tracking, healthcare applications, to name a few. Due to the unattended nature of wireless sensor networks, battery replacement can be either too costly or simply not feasible. In order to cope with this problem and prolong the network lifetime, energy efficient data transmission protocols have to be designed. Motivated by this ultimate goal, this PhD dissertation focuses on the design of collaborative beamforming schemes for wireless sensor networks with energy harvesting capabilities. On the one hand, by resorting to collaborative beamforming, sensors are able to convey a common message to a distant base station, in an energy efficient fashion. On the other, sensor nodes with energy harvesting capabilities promise virtually infinite network lifetime. Nevertheless, in order to realize collaborative beamforming, it is necessary that sensors align their transmitted signals so that they are coherently combined at the destination. Moreover, sensor nodes have to adapt their transmissions according to the amounts of harvested energy over time. First, this dissertation addresses the scenario where two sensor nodes (one of them capable of harvesting ambient energy) collaboratively transmit a common message to a distant base station. In this setting, we show that the optimal power allocation policy at the energy harvesting sensor can be computed independently (i.e., without the knowledge of the optimal policy at the battery operated one). Furthermore, we propose an iterative algorithm that allows us to compute the optimal policy at the battery operated sensor, as well. The insights gained by the aforementioned scenario allow us to generalize the analysis to a system with multiple energy harvesting sensors. In particular, we develop an iterative algorithm which sequentially optimizes the policies for all the sensors until some convergence criterion is satisfied. For the previous scenarios, this PhD dissertation evaluates the impact of total energy harvested, number of sensors and limited energy storage capacity on the system performance. Finally, we consider some practical schemes for carrier synchronization, required in order to implement collaborative beamforming in wireless sensor networks. To that end, we analyze two algorithms for decentralized phase synchronization: (i) the one bit of feedback algorithm previously proposed in the literature; and (ii) a decentralized phase synchronization algorithm that we propose. As for the former, we analyze the impact of additive noise on the beamforming gain and algorithm’s convergence properties, and, subsequently, we propose a variation that performs sidelobe control. As for the latter, the sensors are allowed to choose their respective training timeslots randomly, relieving the base station of the burden associated with centralized coordination. In this context, this PhD dissertation addresses the impact of number of timeslots and additive noise on the achieved received signal strength and throughput
En los últimos años, las redes de sensores inalámbricas han atraído considerable atención en la comunidad investigadora. Su desarrollo, impulsado por recientes avances tecnológicos en microelectrónica y radio comunicaciones, está motivado principalmente por un gran abanico de aplicaciones, tales como: Monitorización ambiental, control de procesos industriales, seguimiento de mercancías, telemedicina, entre otras. En las redes de sensores inalámbricas, es primordial el diseño de protocolos de transmisión energéticamente eficientes ya que no se contempla el reemplazo de baterías debido a su coste y/o complejidad. Motivados por esta problemática, esta tesis doctoral se centra en el diseño de esquemas de conformación de haz distribuidos para redes de sensores, en el que los nodos son capaces de almacenar energía del entorno, lo que en inglés se denomina energy harvesting. En primer lugar, esta tesis doctoral aborda el escenario en el que dos sensores (uno de ellos capaz de almacenar energía del ambiente) transmiten conjuntamente un mensaje a una estación base. En este contexto, se demuestra que la política de asignación de potencia óptima en el sensor con energy harvesting puede ser calculada de forma independiente (es decir, sin el conocimiento de la política óptima del otro sensor). A continuación, se propone un algoritmo iterativo que permite calcular la política óptima en el sensor que funciona con baterías. Este esquema es posteriormente generalizado para el caso de múltiples sensores. En particular, se desarrolla un algoritmo iterativo que optimiza las políticas de todos los sensores secuencialmente. Para los escenarios anteriormente mencionados, esta tesis evalúa el impacto de la energía total cosechada, número de sensores y la capacidad de la batería. Por último, se aborda el problema de sincronización de fase en los sensores con el fin de poder realizar la conformación de haz de forma distribuida. Para ello, se analizan dos algoritmos para la sincronización de fase descentralizados: (i) el algoritmo "one bit of feedback" previamente propuesto en la literatura, y (ii) un algoritmo de sincronización de fase descentralizado que se propone en esta tesis. En el primer caso, se analiza el impacto del ruido aditivo en la ganancia y la convergencia del algoritmo. Además, se propone una variación que realiza el control de lóbulos secundarios. En el segundo esquema, los sensores eligen intervalos de tiempo de forma aleatoria para transmitir y posteriormente reciben información de la estación base para ajustar sus osciladores. En este escenario, esta tesis doctoral aborda el impacto del número de intervalos de tiempo y el ruido aditivo sobre la ganancia de conformación.

The advances in the communications systems has brought new requirements and challenges in terms of compactness and efficient systems that looking for increase the signal coverage area. The reconfigurable antennas are a promising solution for the communication systems when looking to improve the channel capacity and/or to extend the signal coverage. The main advantages of the reconfigurable antennas are the capabilities to change their frequency, polarization and radiation beam steering at a low cost. The reconfigurable antennas can be designed to operate in a determined changing environment keeping good electromagnetic characteristics. The design of reconfigurable RF repeaters is a relevant application of this reconfigurable antenna principle. This thesis is devoted to study and propose new repeater architectures in which a set of reconfigurable parasitic elements as part of the repeater are used for reducing the electromagnetic coupling between the Rx and Tx antennas. It is shown that the use of the parasitic elements as a reconfigurable mechanism gives the flexibility to adapt the repeater electromagnetic characteristics to changing environments while keeping a good system performance. The determination of the minimum number of parasitic elements is an important parameter and it is determined by a modal analysis to define the minimum number of parasitic elements able to fulfill specific repeater electromagnetic characteristics. In order to validate the analytical results, different reconfigurable repeater prototypes controlled electronically are manufactured. A reconfigurable repeater prototype that is using eight reconfigurable parasitic elements has been designed for operating at different scatterer environments. The repeater reconfigurable capabilities are studied to evaluate the repeater performance in realistic indoor locations. Finally, in order to obtain a repeater with reconfigurable frequency isolation capabilities between the Rx and Tx antennas over a wide frequency range, a repeater prototype based on a pixeled layer as reconfigurable mechanism has been designed and measured.

Triggered by emerging services such as high-definition video distribution or social networking, the IP traffic volume has been exponentially increasing to date. Furthermore, the traffic growth rate will not stop here due to the day by day technology advances. For example, new hardware advances such as multicore processing, virtualization and network storage will support new generation e-Science and grid applications, requesting data flows of 10 Gb/s up to terabit level. In response to these large capacity and diverse traffic granularity needs of the future Internet, the Elastic Optical Network (EON) architecture has been proposed. By breaking the fixed-grid spectrum allocation limit of conventional Wavelength Division Multiplexing (WDM) networks, EONs increase the flexibility in the connection provisioning. To do so, depending on the traffic volume, an appropriate-sized optical spectrum is allocated to a connection in EONs. Furthermore, unlike the rigid optical channels of conventional WDM networks, a lightpath can expand or contract elastically to meet different bandwidth demands in EONs. In this way, incoming connection requests can be served in a spectrum-efficient manner. This technological advance poses additional challenges on the networking level, specifically on the efficient connection establishment. The Routing and Spectrum Allocation (RSA) problem in elastic optical networks has grabbed a lot of attention lately, putting more emphasis on dynamic network scenarios. There, connection arrival and departure processes are random and the network has to accommodate incoming traffic in real time. Despite all efforts at studying the dynamic RSA problem from different perspectives, there are still some issues which need to be addressed. This thesis is devoted to the study of three still open issues in the EONs literature, 1) dynamic source aggregation of sub-wavelength connections, 2) correlation between traffic granularity and defragmentation periodicity and 3) using spectrum fragmentation to better allocate time-varying connections. The first issue deals with the possibility of aggregation of same source but different destination sub-wavelength connections in EONs, aiming to obtain both transmitter and spectrum usage savings. A novel algorithm for dynamic source aggregation of connections is proposed. Moreover, a novel node architecture enabling the realization of the proposed source aggregation scheme in a cost-effective way is introduced. A considerable improvement in the network spectrum utilization, as well as a significant reduction in the number of necessary transmitters per node is shown. The spectral fragmentation problem in elastic optical networks is addressed with the second issue. A correlation between the optimal (i.e., minimum) spectrum defragmentation periodicity in the network with the granularity of the supported traffic is investigated. A novel algorithm for efficient spectrum defragmentation is proposed, aiming to consolidate the available fiber spectrum as much as possible, while limiting the number of re-allocated active connections. It is shown that the spectral defragmentation periodicity can be effectively configured by having knowledge of the offered traffic granularity. The last issue is about lightpath adaptation under time variable traffic demands in EONs. Specifically, the possibility of utilizing the spectral fragmentation to increase the spectrum allocation capabilities of EONs is explored. In this context, a heuristic Spectrum Allocation (SA) algorithm, which intentionally increases the spectral fragmentation in the network is proposed and validated. In the proposal, the spectrum assigned to each new connection is in the middle of the largest free spectral void over the route, aiming to provide considerable spectral space between adjacent connections. These free spectral spaces are then used to allocate time-varying connections without requiring any lightpath re-allocation.
Degut a l'augment de serveis emergent com la distribució de vídeo d'alta definició les xarxes socials, el volum de tràfic IP ha crescut de manera exponencial durant els darrers temps. S'espera que aquest creixement no s'aturi sinó que continui de manera imparable degut als constants avenços tecnològics. Alguns exemples d’això poden ser els processadors multi-nucli, la virtualització o el "cloud computing" que donaran suport a una nova generació de e-Science i d'aplicacions Grid per les quals caldran flux de dades des de 10 Gb/s fins al Terabit per segon. La conseqüència esperable és que els operadors de xarxes de telecomunicacions requeriran una nova generació de transport òptic en el futur proper, per donar servei a aquests grans i heterogenis volums de trafic d'una manera econòmicament eficient i escalable. Com a resposta a les creixents necessitats de capacitat i de diferents granularitats de tràfic de la Internet del Futur s'ha proposat l'arquitectura coneguda com "Elastic Optical Network" (EON). Trencant el rígid entramat de les xarxes WDM tradicionals, on s'ha de reservar tot un canal òptic per a cada comunicació, mitjançant les EON s'aconsegueix incrementar la flexibilitat en l'aprovisionament de connexions. per fer-ho, depenent del volum de tràfic s'assigna la quantitat adient de l'espectre òptic a cada connexió. I, anant encara un pas més enllà, per desfer la rigidesa dels canals convencionals de les xarxes amb multiplexació per divisió en longitud d'ona (WDM), les connexions òptiques en les EON poden expandir-se o contraure's de manera elàstica segons els requeriments d'ample de banda en cada moment. D'aquesta manera, les peticions de connexió que arriben poden ésser servides de manera eficient pel que fa a l'espectre que utilitzen. Aquest avenç tecnològic implica però alguns reptes a nivell de xarxa, especialment pel que fa a l'establiment eficient de les connexions. De manera similar a com succeeix en les xarxes WDM, una connexió ha d'ocupar la mateixa part de l'espectre en tots els links que la conformen, acomplint el principi de "continuïtat en l'espectre". A més a més, tot l'ample de banda de la connexió ha d'estar assignat de manera adjacent, acomplint el principi de "contigüitat en l'espectre". Per aconseguir aquests objectius, el problema de l'encaminament i assignació de l'espectre (RSA) ha merescut una gran atenció dels investigadors en els darrers anys, amb especial èmfasi a escenaris dinàmics, és a dir, en la fase d’operació de la xarxa. En aquest cas, els processos d'arribada i mort de les connexions són aleatoris i la xarxa ha d'acomodar en temps real el tràfic ofert. Tot i els grans esforços dedicats a aquest tema, queden encara alguns punts a resoldre. Aquesta Tesi està dedicada a alguns d'aquests temes oberts en l'àmbit de les xarxes EON: 1) l’agregació dinàmica de connexions de granularitat inferior a la longitud d'ona, 2) la correlació entre la granularitat del tràfic i les polítiques de desfragmentació de l'espectre, i, 3) utilitzar la fragmentació espectral per a una millor assignació de connexions d'ample de banda canviant en el temps. El primer tòpic analitza la possibilitat d'agregar connexions originades a la mateixa font però amb diferents destinacions dins d'una EON, amb l'objectiu d'estalviar recursos tant pel que fa a nombre d'equips transmissor utilitzats com a l'espectre utilitzat. S'ha proposat un nou algorisme que millora ambdós paràmetres, així com una arquitectura pels nodes de la xarxa que permet utilitzar l'algorisme d’agregació proposat de manera eficient des del punt de vista del cost. S'aconsegueix una considerable millora pel que fa a la utilització de l'espectre a més d'una significativa reducció en el nombre de transmissors per node que es requereixen. El problema de la fragmentació espectral en les EONs s'ataca en la segona aportació d'aquesta Tesi. S'ha aconseguit demostrar la correlació entre l’òptima (és a dir mínima) periodicitat de les accions de desfragmentació i la granularitat del tràfic suportat. S'ha proposat un nou algorisme per a una desfragmentació eficient, l'objectiu del qual és consolidar l'espectre disponible en les fibres tan com sigui possible, al mateix temps que es redueix el nombre de connexions que has de ser reubicades en la xarxa. Es demostra que, en una EON, es pot configurar de manera òptima la periodicitat de les desfragmentacions si es coneix la granularitat de les connexions a transportar. Finalment, en el tercer gran apartat de la Tesi, s'estudia la possibilitat d'utilitzar la fragmentació espectral en les EON per a una millor assignació dels recursos quan el tràfic és variant en el temps. En aquest context, s'ha proposat i validat un algorisme d’assignació de l'espectre (SA) que incrementa de manera intencionada la fragmentació espectral de la xarxa. En aquesta proposta, l'espectre assignat a cada nova connexi_o s'ubica al bell mig del buit espectral més gran que es troba en tota la ruta, amb l'objectiu de deixar tan espai com sigui possible entre les diferents connexions. Aquest espai és després utilitzat per a connexions que requereixen, al llarg de la seva existència, més espectre del que se'ls ha assignat inicialment (incrementen el seu ample de banda). Els resultats obtinguts mitjançant simulacions mostren significants millores en termes de Probabilitat de Bloqueig (BP) en la xarxa quan s'utilitza l'algorisme proposat. Després d'una introducció a la Tesi, el Capítol 2 ofereix una revisió de l’evolució de les xarxes òptiques de transport, tot introduint el concepte de xarxa òptica elàstica (EON). El Capítol 3 se centra en l'estudi dels mètodes d'encaminament i assignació de longitud d'ona en xarxes WDM convencionals, i la seva evolució cap al problema de l’assignació d'espectre (RSA) en EONs. El Capítol 4 detalla els estudis i les contribucions fetes en el tema d’agregació de connexions de granularitat inferior a la longitud d'ona en EONs. L'algorisme proposat, així com l'arquitectura de node que permet aplicar-lo es presenten en aquest Capítol. El problema de la fragmentació espectral en EONs i llurs solucions es revisen a fons en el Capítol 5. La correlació entre la periodicitat de les desfragmentacions espectrals i la granularitat del tràfic ofert s'estudien aquí. El Capítol 6 detalla el problema de servir connexions variants en el temps en EONs. Algunes polítiques proposades fins ara es revisen, i tot seguit se'n proposa una que, en certs aspectes, millora les prèvies. Finalment, cal destacar que aquest treball ha rebut el suport del Govern de la Generalitat de Catalunya, a través d'una beca FI-AGAUR, i que s'ha realitzat en el marc del projecte del Ministerio de Educación Ciencia y Deporte espanyol ELASTIC (TEC2011-27310).
Debido al aumento de servicios emergentes como la distribución de video de alta definición o las redes sociales, el volumen de tráfico IP ha crecido de manera exponencial durante los últimos tiempos. Se espera que este crecimiento no se pare sino que continúe de manera imparable debido a los constantes adelantos tecnológicos. Algunos ejemplos de esto pueden ser los procesadores multi-núcleo, la virtualización o el "cloud computing" que darán servicio a una nueva generación de aplicaciones de e-Science y de Grid para las cuáles serán necesarios flujos de datos desde 10 Gb/s hasta Terabits por segundo. La consecuencia esperable es que los operadores de redes de telecomunicaciones requerirán una nueva generación de transporte óptico en el futuro cercano, para dar servicio a estos grandes y heterogéneos volúmenes de tráfico de una manera económicamente eficiente y escalable. Como respuesta a las crecientes necesidades de capacidad y de diferentes granularidades de tráfico de la Internet del Futuro, se ha propuesto la arquitectura conocida como "Elastic Optical Network" (EON). Rompiendo el rígido entramado de las redes con multiplexación por división en longitud de onda (WDM) tradicionales, donde se tiene que reservar todo un canal óptico para cada comunicación, mediante las EON se consigue incrementar la flexibilidad en el aprovisionamiento de conexiones. Para hacerlo, dependiendo del volumen de tráfico se asigna la cantidad adecuada del espectro óptico a cada conexión. Y, yendo todavía un paso más allá, para deshacer la rigidez de los canales convencionales de las redes WDM, las conexiones ópticas en las EON pueden expandirse o contraerse de manera elástica según los requerimientos de ancho de banda en cada momento. De este modo, las peticiones de conexión que llegan pueden ser servidas de manera eficiente en cuanto al espectro que utilizan. Este adelanto tecnológico implica sin embargo algunos retos a nivel de red, especialmente en lo que se refiere al establecimiento eficiente de las conexiones. De manera similar a como sucede en las redes WDM, una conexión debe ocupar la misma parte del espectro en todos los links que la conforman, cumpliendo el principio de "continuidad espectral". Además, todo el ancho de banda de la conexión tiene que estar asignado de manera adyacente, cumpliendo el principio de "contigüidad espectral". Para conseguir estos objetivos, el problema del encaminamiento y asignación del espectro (RSA) ha merecido una gran atención de los investigadores en los últimos años, con especial énfasis en escenarios dinámicos, es decir, en la fase de operación de la red. En este caso, los procesos de llegada y finalización de las conexiones son aleatorios y la red tiene que acomodar en tiempo real el tráfico ofrecido. A pesar de los grandes esfuerzos dedicados a este tema, quedan todavía algunos puntos a resolver. Esta Tesis está dedicada a algunos de estos temas abiertos en el ámbito de las redes EON: 1) la agregación dinámica de conexiones de granularidad inferior a la longitud de onda, 2) la correlación entre la granularidad del tráfico y las políticas de desfragmentación del espectro, y, 3) utilizar la fragmentación espectral para una mejor asignación de conexiones de ancho de banda variante en el tiempo. El primer tópico analiza la posibilidad de agregar conexiones originadas en la misma fuente pero con diferentes destinos dentro de una EON, con el objetivo de ahorrar recursos tanto en cuanto a número de equipos transmisores utilizados como en el espectro utilizado. Se ha propuesto un nuevo algoritmo que mejora ambos parámetros, así como una arquitectura para los nodos de la red que permite utilizar el algoritmo de agregación propuesto de manera eficiente desde el punto de vista del coste. Se consigue una considerable mejora en cuanto a la utilización del espectro además de una significativa reducción en el número de trasmisores por nodo que se requieren. El problema de la fragmentación espectral en las EONs se ataca en la segunda aportación de esta Tesis. Se ha conseguido demostrar la correlación entre la óptima (es decir, mínima) periodicidad de las acciones de desfragmentación y la granularidad del tráfico soportado. Se ha propuesto un nuevo algoritmo para una desfragmentación eficiente, el objetivo del cual es consolidar el espectro disponible en las fibras tanto como sea posible, al mismo tiempo que se reduce el número de conexiones que deben ser reubicadas en la red. Se demuestra que, en una EON, se puede configurar de manera óptima la periodicidad de las desfragmentaciones si se conoce la granularidad de las conexiones a transportar. Finalmente, en el tercer gran apartado de la Tesis, se estudia la posibilidad de utilizar la fragmentación espectral en las EON para una mejor asignación de los recursos cuando el tráfico es variante en el tiempo. En este contexto, se ha propuesto y validado un algoritmo de asignación del espectro (SA) que incrementa de manera intencionada la fragmentación espectral de la red. En esta propuesta, el espectro asignado a cada nueva conexión se ubica en medio del vacío espectral más grande que se encuentra en toda la ruta, con el objetivo de dejar tanto espacio como sea posible entre las diferentes conexiones. Este espacio es después utilizado para conexiones que requieren, a lo largo de su existencia, más espectro del que se les ha asignado inicialmente (incrementan su ancho de banda). Los resultados obtenidos mediante simulaciones muestran significantes mejoras en términos de Probabilidad de Bloqueo (BP) de la red cuando se utiliza el algoritmo propuesto. Después de una introducción a la Tesis, el Capitulo 2 ofrece una revisión de la evolución delas redes ópticas de transporte, introduciendo el concepto de red óptica elástica (EON). El Capítulo 3 se centra en el estudio de los métodos de encaminamiento y asignación de longitud de onda en redes WDM convencionales, y su evolución hacia el problema de la asignación de espectro (RSA) en EONs. El Capítulo 4 detalla los estudios y las contribuciones hechas en el tema de agregación de conexiones de granularidad inferior a la longitud de onda en EONs. El algoritmo propuesto, así como la arquitectura de nodo que permite aplicarlo, se presentan en este Capitulo. El problema de la fragmentación espectral en las EONs y sus soluciones se revisan a fondo en el Capitulo 5. La correlación entre la periodicidad de las desfragmentaciones espectrales y la granularidad del tráfico ofrecido se estudian aquí. El Capitulo 6 detalla el problema de servir conexiones variantes en el tiempo en EONs. Algunas políticas propuestas hasta ahora se han revisado, y a continuación se propone una que, en algunos aspectos, mejora las previamente publicadas. Finalmente, hay que destacar que este trabajo ha recibido el apoyo del Gobierno de la Generalitat de Catalunya, a través de una beca FI-AGAUR, y que se ha realizado en el marco del proyecto ELASTIC (*TEC2011-27310), del Ministerio de Educación Ciencia y Deporte Español.

Radio Frequency Interference (RFI) is the most common problem for electronic measuring systems. The presence of those electromagnetic waves can harm the measurements taken from very sensitive instruments, like microwave radiometry or navigation systems. The accuracy and precision are compromised. A first step to mitigate those unwanted effects is to study the RFI properties. Different algorithms have been proposed to detect the interferences, but there is no method that works in all cases. The scope of this dissertation is the design, implementation and testing of different detection and mitigation methods in real-time. Performed surveys and characterization of RFI sources provide a great contribution to optimize the current mitigation techniques. In the mitigation area, two real-time hardware systems have been implemented: a wavelet denoise system to model the RFI and mitigate it, and a circuit to allow a navigation system to continue operational under the effects of a jammer.
El problema més comú en els sistemes electrònics de mesura són les interferències electromagnètiques. La presència d'aquests senyals pot danyar les mesures preses per instruments molt sensibles, com radiòmetres de microones o sistemes de navegació. L'exactitud i precisió es veuen compromeses. El primer pas per mitigar aquests efectes no desitjats és estudiar les propietats de les interferències electromagnètiques. Diversos algoritmes han estat proposats per detectar interferències, però no hi ha mètode que funcioni bé en tots els casos . Aquest treball comprèn el disseny, implementació i comprovació de diferents mètodes de detecció i mitigació en temps real. Els estudis i caracterització de les fonts d'interferències són una gran contribució per a optimitzar les tècniques de mitigació actuals. En el tema de mitigació, dos sistemes en temps real han estat implementats en hardware: un sistema que utilitza wavelets per modelar la interferència i mitigar-la, i un circuit que permet a un sistema de navegació continuar funcionant sota els efectes d'un interferidor comercial ( jammer ).

This thesis presents reconfigurable microwave discriminators used for the development of reconfigurable measurement circuits with high miniaturization, low power consumption, reduced weight and cost. The concept is demonstrated by the design and manufacture of several microwave discriminator topologies to generate 2 and 4 bits used for frequency identification. These topologies are implemented with transmission lines (microstrip and coplanar waveguides), solid state technology, and micro mechanical-electro-systems MEMS. Three reconfigurable microwave discriminator topologies are presented; the first topology generates 2-bits of frequency identification, the second topology generates 4-bit of frequency identification. These topologies use solid state technology (PIN diodes), microstrip transmission lines and operate in the frequency bands L and S. The third topology uses coplanar waveguides and two SPQT switches; each switch of the device is integrated in a RF-MEMS SPQT chip. This topology operates in the frequency bands C, X and Ku. Finally, the last topology presented in this work is the design of a MEMS phase shifter, which generates a phase shift of 180°. This topology uses slotline transmission lines and operates in the frequency band Ka. This phase shifter allows developing reconfigurable microwave discriminators with high miniaturization and reduced weight.
En esta tesis se presenta el concepto de discriminadores de microondas reconfigurables de dos puertos para el desarrollo de sistemas de medición de frecuencia reconfigurables de alta miniaturización, peso y costo reducido. Este concepto es comprobado con el diseño y fabricación de varias topologías de discriminadores de microondas para generar 2 y 4 bits de identificación de frecuencia, implementados con líneas de transmisión microstrip y coplanar waveguide, y tecnología de estado sólido, y sistemas micro-electro-mecánicos MEMS. Se presentan tres topologías de discriminadores de microondas reconfigurables; uno genera 2 bits de identificación y los dos restantes generan 4 bits de identificación. Dos topologías utilizan tecnología de estado sólido (diodos PIN), líneas de transmisión microstrip y operan en la banda de frecuencia L y S. La última topología usa interruptores SPQT integrados en chips RF-MEMS, líneas de transmisión coplanar y opera en las bandas de operación C, X y Ku. Finalmente, se presenta el diseño de un defasador implementado con tecnología MEMS para generar un corrimiento de fase de 180°. Esta topología utiliza líneas de transmisión tipo slotline y opera en la banda Ka. Este defasador permite generar discriminadores de microondas reconfigurables con alta miniaturización, y peso reducido

Connect, upload, download, share and transfer anything at anytime and anywhere is not a futuristic vision and is indeed a real demand on current and future wireless and fixed communication systems. From the point of view of service providers, efficient usage of the limited resources on the radio frequency (RF) spectrum is one of the biggest challenges. This technological challenge have to be faced from many different approaches and one is certainly the RF hardware equipment on the wireless devices, base stations and satellite equipment. Among the RF components into the RF chain, the filtering stage is without any doubt one of the most critical components, which usually have to be individual for any communication system or have to operate in a multistandard and multimode communication environment. Our devices are equipped with more and more radios and there are many scenarios where it is desirable from a user perspective to operate these simultaneously. Adding to the challenges, many of these bands are very close together and therefore require highly selective filters. When this happens it is essential that they can operate without detrimental mutual interference. These bands must be isolated to avoid interference. This demands for continuous research on filter a) performance improvement and b) size reduction. This is even more stringent in satellite equipment where the live of the device is longer and the size and weight of the equipment significantly contributes to the payload of the satellite and strongly affects the cost. The number of selective or channelizing filters in a satellite equipment are numerous and present into the input multiplexing, always present in any satellite transponder. Channel filters in input multiplexers take up a substantial portion of modern satellite payloads in terms of size and mass. High selective filters can be achieved by the use of high quality factor resonators on the implementation of high order filter with usually a complex configuration - several transmission zeros to increase and tailored the selectivity and equalization zeros to obtain a linear group delay response of the filter. Although several innovative technologies can achieve high performance filter with a considerable compact size, the required filter response flexibility and heritage demanded on the on-board satellite equipment, demands for using conventional technologies for the filter implementation. This results in bulky filter configurations, where a size reduction inherently involves a reduction on the quality factor, which in turn give rises into a degradation of the filter performance. The goal of this work is the implementation of a new class of filters with the used of lossy resonators. Note that success of this goal will result in high performance filter with reduced sized and suitable to be used in satellite equipment. The size reduction, in this novel class of filters, comes along an increment of the overall filter insertion losses, although the filter shape factor it is still high-performed. Although this limits the application of such new class of filters, there are very promising in RF input front-end architectures where the filter (or input multiplexer filtering stage) connects after and amplifier structures, as in a satellite equipment. This demands for achieving three intermediate goals: 1) create a new mathematical formulation of the filter response which considers the limited losses of the resonators from the very beginning, 2) provide the suitable synthesized network of the new filter topologies. This new topologies usually results in conventional topologies with an additional coupled resistive network which provides a selective dissipation along the filter band, and 3) evaluate the technological issues for the implementation of this new class of filters. The later objective have been achieved by the implementation of three prototypes.
Conectar, cargar, descargar, compartir y transferir datos en cualquier momento y en cualquier lugar, no es una visión futurista y es de hecho una demanda real en los sistemas de comunicación inalámbrica y fijos actuales y futuros. Desde el punto de vista de los proveedores de servicios, el uso eficiente del espectro frecuencial es uno de los retos más grandes. Este desafío tecnológico requiere de muchos enfoques diferentes y uno de ellos es sin duda desde el punto de vista de los dispositivos de RF que forman los sistemas de comunicaciones. Entre los componentes dentro de la cadena de RF, la etapa de filtrado es sin ninguna duda uno de los componentes más críticos, y que en general debe ser único para cualquier sistema de comunicación y / o debe operar en un entorno de comunicación multiestándar. Los dispositivos actuales están equipados con más y más sistemas, que en muchos casos es deseable desde la perspectiva del usuario poder operar simultáneamente. Además muchos de estos sistemas se encuentran en bandas frecuenciales muy próximas entre sí y por lo tanto requieren de filtros muy selectivos. Cuando esto sucede, es esencial poder operar sin interferencia mutua. Esto exige de una investigación continua en el diseño de filtros, para) la mejora de su respuesta y b) reducción de tamaño. Estas demandas son aún más estrictos en equipos de satélites donde el tamaño y peso del equipo contribuye significativamente a la carga útil del satélite y afecta fuertemente al coste. El número de filtros selectivos o de canal en un equipo de satélite es grande y presente sobre todo en la multiplexación de entrada. Los multiplexores de entrada ocupan una parte sustancial de las cargas útiles de los satélites modernos en términos de tamaño y masa. Filtros altamente selectivos se pueden conseguir mediante el uso de resonadores con un factor calidad alto, con un gran número de resonadores y generalmente con una configuración compleja - varios ceros de transmisión para aumentar la selectividad y de ecualizar el retraso de grupo del filtro. Aunque varias tecnologías innovadoras pueden conseguir filtros de altas prestaciones con configuraciones compactas, la demanda por el uso de tecnologías convencionales en aplicaciones de espacio, exige el uso de configuraciones de filtro voluminosos, donde una reducción de tamaño implica inherentemente una reducción en el factor de calidad, que a su vez produce una degradación de las prestaciones del filtro. El objetivo de este trabajo es la implementación de una nueva clase de filtros con el uso de resonadores con pérdidas. Logro de este objetivo se traducirá en filtros de alto rendimiento con tamaño reducido y adecuado para ser utilizado en equipos de satélites. La reducción en las dimensiones, en esta nueva clase de filtros, resulta en un incremento de las pérdidas de inserción totales del filtro, aunque el shape factor del filtro corresponde al de un filtro de altas prestaciones. Aunque este incremento en las pérdidas de inserción puede limitar la aplicación de esta nueva clase de filtros, hay muchas arquitecturas donde el filtro (o etapa de filtrado multiplexor de entrada) se conecta después del amplificador, donde las pérdidas y prestaciones del sistema se ven compensadas, como es el caso de un equipo satelital. El éxito del objetivo final exige conseguir tres objetivos intermedios: 1) crear una nueva formulación matemática para la respuesta del filtro que considera las pérdidas de los resonadores desde el principio, 2) proporcionar la red sintetizada de las nuevas topologías de filtro. Estas nuevas topologías resultan en topologías convencionales con una red resistiva adicional que proporciona una disipación selectiva a lo largo de la banda de filtro, y 3) evaluar las cuestiones tecnológicas para la implementación de esta nueva clase de filtros.

In recent decades, the industry of communications has acquired huge significance, and nowadays constitutes an essential tool for the society information. Thus, the exponential growth in demand of broadband services and the increasing amount of information to be transmitted have spurred the evolution of the access network infrastructure to effectively meet the user needs in an effective way in terms of costs of both installation and maintenance. Passive optical networks (PON) are currently considered the most efficient and least costly alternative to deploy fiber to the home environment. In order to allow many users simultaneously coexist PONs based on time multiplexing (TDMA) have been developed. Looking ahead, however, it is expected that these techniques do not meet the requirements on access networks. In consequence, other multiple access techniques such as Wavelength Division Multiplexing Access (WDMA) or Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) are currently under study and development for use in the next generation of PONs. Particularly, in recent years OFDM has stood out among the scientific community to be considered a solution with great potential on future implementation of PONs. This is especially true due to the capacity of OFDM to work with multilevel modulations, its high tolerance to chromatic dispersion, and its high flexibility and granularity in terms of bandwidth management. Given the above, the aim of this Thesis is to study deeply the advantages and challenges of implementing the standard OFDM as an access network solution; likewise, it offers solutions to improve its performance. In order to evaluate the main structures and strategies for OFDM-based PON, a comparative analysis of all of them is performed firstly, highlighting their sensitivity levels, maximum range and number of users. A key aspect for network providers is the cost of operation, deployment and maintenance of networks. As a low-cost solution, this Thesis proposes a network model called Statistical-OFDMA-PON based on intensity modulation and direct detection. In addition, dynamic bandwidth management strategies are applied into this model getting an improvement in the power balance which in turn, allows to increase the maximum range and the scalability in number of users. One of the main OFDM problems is the Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) which increases with the number of carriers. This thesis proposes a new algorithm based on folding the signal and transmitting auxiliary information in order to compensate the PAPR effect and thus increase the sensitivity of the optical system. On the other hand, OFDMA requires a large number of operations in the digital domain resulting in a high computational effort, which in turn results in an increased cost. For this reason, this Thesis presents a study on the optimization of the required resolution in the Digital-to-Analog / Analog-to-Digital Converters (DAC/ADCs) maintaining the transmission quality. The optimization of the computation time may make the OFDMA-based optical network more attractive for future PONs. Finally, another problem concerning the OFDM optical networks is their sensitivity to Phase Noise (PN). In this regard, this Thesis presents a study of the effect of the laser linewidth and its dependence on signal bandwidth. A mitigation technique based on pilot tones is implemented and the limiting values for the laser linewidth are found to be within the reach of present low-cost light sources.
En estas últimas décadas, la industria de las comunicaciones ha adquirido gran importancia y hoy en día, constituye una herramienta imprescindible para el funcionamiento en la sociedad de la información. Así pues, el crecimiento exponencial en la demanda de servicios de banda ancha y la carga de información cada vez mayor que se necesita transmitir ha estimulado la evolución de las infraestructuras del tramo de acceso a la red para poder satisfacer las necesidades del usuario de forma efectiva en términos de costes de instalación y de mantenimiento. Las redes ópticas pasivas (Passive Optical Networks, PON) son actualmente consideradas la alternativa más eficiente y de menor coste para desplegar fibra hasta los hogares. Con el fin de permitir que muchos usuarios coexistan simultáneamente se han desarrollado PONs basadas en multiplexación en tiempo (Time Division Multiplexing Access, TDMA). De cara al futuro, sin embargo, se prevé que estas técnicas no permitan cubrir las exigencias sobre las redes de acceso. En consecuencia, otras técnicas de acceso múltiple al medio como el acceso múltiple por división de longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing Access, WDMA) o el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, OFDMA) se encuentran actualmente en proceso de estudio y desarrollo para su uso en la futura generación de PONs. En concreto, en los últimos años OFDM se ha destacado entre la comunidad científica al considerarse una solución con gran potencial para su futura implantación en redes de acceso pasivas. Esto es especialmente cierto debido a la capacidad que el OFDM para trabajar con modulaciones multinivel, así como su alta tolerancia a la dispersión cromática y a la gran flexibilidad y granularidad que posibilita en términos de gestión del ancho de banda. Por todo lo anterior, el objetivo de esta Tesis es estudiar con profundidad las ventajas y los retos de aplicar el estándar OFDM como solución de red de acceso; del mismo modo, ofrece soluciones para mejorar su rendimiento. Con el objetivo de evaluar las principales estructuras basadas en OFDM-PON, en primer lugar se realiza un análisis comparativo de todas ellas destacando sus niveles de sensibilidad, máximo alcance y número de usuarios. Un aspecto fundamental para los proveedores de red es el coste de operación, despliegue y mantenimiento de las redes. Como solución de bajo coste, esta Tesis propone un modelo de red llamado Statistical-OFDMA-PON que se basa en modulación de intensidad y detección directa. Además, este modelo se completa con estrategias de gestión dinámica del ancho de banda de los usuarios que conforman la estructura de red propuesta consiguiendo una mejora en el balance de potencias que permite aumentar distancia y número de usuarios. Uno de los principales problemas del OFDM es el alto nivel de la relación de potencia de pico a potencia media (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) creciente con el número de portadoras. Esta Tesis propone un nuevo algoritmo basado en el pliegue de la señal y la transmisión de información auxiliar para compensar el efecto del PAPR aumentando así la sensibilidad del sistema óptico. Por otro lado, OFDMA requiere un número elevado de operaciones en el dominio digital resultando en un alto esfuerzo computacional que a su vez se traduce en un aumento del coste. Por esta razón, esta Tesis presenta un estudio sobre la optimización de la resolución requerida en los conversores analógicodigital (Digital-to-Analog/Analog-to-Digital Converters, DAC/ADCs) manteniendo la calidad de transmisión. La optimización del tiempo de cómputo requerido puede dotar de un mayor atractivo la solución de red óptica basada en OFDMA. Finalmente, otro de los problemas que presentan las redes ópticas OFDM es su sensibilidad frente al ruido de fase (Phase Noise, PN). En este aspecto, esta Tesis presenta un estudio del efecto del ancho de línea del láser y su dependencia con el ancho de banda de la señal. Técnicas de mitigación basadas en tonos piloto han sido implementadas y se han encontrado los valores limitantes del ancho de línea dentro del alcance de los láseres de bajo coste.

Satellite communication will play a central role towards fulfilling next generation 5G communication requirements. As a matter of fact, anytime-anywhere connectivity cannot be conceived without the presence of the satellite segment. Indeed, satellite communication industry is not only targeting popular markets but also to high dense populated areas where the satellite will become an essential element to decongest the terrestrial wireless network. In order to deliver broadband interactive data traffic, satellite payloads are currently implementing a multibeam radiation pattern. The use of a multibeam architecture brings several advantages in front of a single global beam transmission. First, as an array fed reflector is employed, the antenna gain to noise ratio can be increased leading to high gain in the achievable throughput. Second, different symbols can be simultaneously sent to geographically separated areas, allowing a spatially multiplexed communication. Last but not least, the available bandwidth can be reused in sufficiently separated beams, increasing the spectrum reuse in the overall coverage area. Whenever the system designers target the terabit satellite system the aforementioned multibeam architecture shall be reconsidered. Indeed, the achievable rates can be extremely increased in case a more aggressive frequency reuse is deployed and interference mitigation techniques are implemented either at the user terminal (multiuser detection) or in the transmitter (precoding). Our study deals with the problem of precoding and linear filtering receiving methods for multibeam satellite systems when full frequency reuse is considered. Concretely, we consider the particular restrictions of satellite communications which, in contrast to terrestrial communication systems, suffer from additional drawbacks. First, the feeder link shall aggregate the overall data traffic leading to a very large rate requirement. This required data rate is even increased whenever linear filtering at the return link and precoding in the forward link are deployed. This is because the feed signals, which are larger than the number of beams, shall be computed on ground. In order to solve this problem, we propose a hybrid architecture where the satellite payload is equipped with a fixed processing. This on-board processing linearly transforms the received and transmitted data in order to keep the feeder link rate requirement low. The on-board processing results to be the same for both return and forward links, leading to a large reduction of the payload complexity, mass and cost. Second, as the data traffic can be generated by different gateways, the precoding method shall be designed accordingly. In contrast to previous works, this work studies the case where the collaboration between different gateways is limited. In addition to the aforementioned contribution, in this work some unexplored aspects of multi-gateway multibeam precoding are also investigated. Finally, we consider an important phenomena that currently needs to be treated in multibeam systems: the fact that a single codeword is embedded the information of multiple users in each beam. This leads to the difficult so-called multigroup multicast model, whose optimization requires computationally complex operations. In order to solve this problem: i) we propose a two-stage precoding design in order to both limit the multibeam interference and to enhance the intra-beam minimum user signal power, ii) a robust version of the proposed precoder based on a first perturbation model is presented. This mechanism behaves well when the channel state information is corrupted, iii) we propose a per beam user grouping mechanism so as its robust version in order to increase the precoding gain. Forth, a method for dealing with the multiple gateway architecture is presented that offers high throughputs with a low inter-gateway communication.
La comunicación por satélite desempeñará un papel central en el cumplimiento de los requisitos de comunicación 5G de próxima generación. Como cuestión de hecho, la conectividad cualquier momento y lugar no se puede concebir sin la presencia del segmento satelital. De hecho, la industria de la comunicación por satélite no sólo se dirige a los mercados populares, sino también a la alta densas zonas pobladas donde el satélite se convertirá en un elemento esencial para descongestionar la red inalámbrica terrestre. Para entregar el tráfico de datos interactiva de banda ancha, las cargas útiles de satélites están implementando un diagrama de radiación de haces múltiples. El uso de una arquitectura multihaz aporta varias ventajas frente a un único haz de transmisión global. En primer lugar, como se emplea un reflector alimentado matriz, la ganancia de antena a ruido puede aumentar dando lugar a una alta ganancia en el rendimiento alcanzable. En segundo lugar, diferentes símbolos pueden ser enviados simultáneamente a las áreas separadas geográficamente, lo que permite una comunicación multiplexada espacialmente. Por último, pero no menos importante, el ancho de banda disponible puede ser reutilizado en las vigas suficientemente separadas, el aumento de la reutilización del espectro en el área de cobertura global. Cada vez que los diseñadores de sistemas se dirigen el sistema de satélites terabit se reconsideró la arquitectura multihaz mencionado. De hecho, las tasas alcanzables pueden ser extremadamente aumentaron en caso de reutilización de frecuencias más agresiva está desplegado y las técnicas de reducción de interferencias se implementan ya sea en el terminal de usuario (detección multiusuario) o en el transmisor (precodificación). Nuestros estudio aborda el problema de precodificación y filtrado lineal recibir métodos para sistemas de satélites multihaz cuando se considera la reutilización de frecuencias completa. Concretamente, consideramos las restricciones particulares de comunicaciones por satélite que, en contraste con los sistemas de comunicación terrestres, sufren de desventajas adicionales. En primer lugar, el enlace de conexión deberá agregar el tráfico global de datos que conduce a un requisito tasa muy grande. Esta velocidad de datos requerida es incluso aumentó cada vez filtrado lineal en el enlace de retorno y precodificación en el enlace directo se despliegan. Esto se debe a que las señales de alimentación, que son más grandes que el número de haces, se computarán en el suelo. Con el fin de resolver este problema, se propone una arquitectura híbrida, donde la carga útil del satélite está equipado con un procesamiento fijo. Este procesamiento a bordo transforma linealmente los datos recibidos y transmitidos con el fin de mantener el requisito de baja tasa de enlace de conexión. Los resultados del procesamiento de a bordo para ser el mismo para ambos enlaces directo y de retorno, dando lugar a una gran reducción de la complejidad de carga útil, la masa y el coste. En segundo lugar, como el tráfico de datos puede ser generada por diferentes puertas de enlace, el método de precodificación deberá ser diseñado en consecuencia. A diferencia de los trabajos anteriores, este trabajo estudia el caso en que la colaboración entre las diferentes pasarelas es limitado. Además de la contribución anterior, en este trabajo también se investigan algunos aspectos inexplorados de multi-gateway multihaz precodificación. Finalmente, consideramos un fenómeno importante que necesita actualmente para ser tratados en sistemas multihaz: el hecho de que una sola palabra de código se incrusta la información de múltiples usuarios en cada viga. Esto conduce a la denominada modelo de multidifusión multigrupo difícil, cuya optimización requiere operaciones computacionalmente complejos. En tal escenario, el diseño de precodificación en el enlace directo será dirigido.

This Thesis proposes the design and the optimization of a hybrid WDM/TDM PON at the L1 (PHY) and L2 (MAC) layers, in terms of minimum deployment cost and enhanced performance for Greenfield NGPON. The particular case of RSOA-based ONUs and ODN using a single-fibre/single-wavelength is deeply analysed. In this WDM/TDM PON relevant parameters are optimized. Special attention has been given at the main noise impairment in this type of networks: the Rayleigh Backscattering effect, which cannot be prevented. To understand its behaviour and mitigate its effects, a novel mathematical model for the Rayleigh Backscattering in burst mode transmission is presented for the first time, and it has been used to optimize the WDM/TDM RSOA based PON. Also, a cost-effective, simple design SCM WDM/TDM PON with rSOA-based ONU, was optimized and implemented. This prototype was successfully tested showing high performance, robustness, versatility and reliability. So, the system is able to give coverage up to 1280 users at 2.5 Gb/s / 1.25 Gb/s downstream/upstream, over 20 Km, and being compatible with the GPON ITU-T recommendation. This precedent has enabled the SARDANA network to extend the design, architecture and capabilities of a WDM/TDM PON for a long reach metro-access network (100 km). A proposal for an agile Transmission Convergence sub-layer is presented as another relevant contribution of this work. It is based on the optimization of the standards GPON and XG-PON (for compatibility), but applied to a long reach metro-access TDM/WDM PON rSOA-based network with higher client count. Finally, a proposal of physical implementation for the SARDANA layer 2 and possible configurations for SARDANA internetworking, with the metro network and core transport network, are presented.

Optical access technology has experienced a boost in the last years, thanks to the continuously migrating multimedia services that are offered over the internet. Though the technologies used for deploying Fiber-To-The-x (FTTx) and Fiber-to-the-Home (FTTH) are mostly based on either Active solutions or as far as Passsive Optical Networks (PONs) is concerned, in Time Division Multiplexing (TDM), an evolution towards Hybrid solutions such as Wavelength Division Multiplexing/Time Division Multiplexing (WDM/TDM) can be foreseen. What needs to be researched and finally established are the exact designs for this important step of integration, which should be optimized in terms of transmission performance and cost, to address all requirements of next-generation passive optical networks. As the most critical elements in optical access network, the design and its cost are the main topics of this discussion. The covered topics span over a wide range and include cost estimation of several optical network technologies - architectures and their comparison and furthermore, subjects of design optimization. In this last category, in-line remote amplification, use of an alternative and an extended frequency band, dispersion compensation and equalization techniques have been examined as well as a combination of the aforementioned means of network optimization. Next to the principal proof of the proposed techniques, the benefits are highlighted in different case studies, while the most representative designs are further discussed.