Medidas de calidad de señales DVB-T

El incremento de la población con acceso a la televisión a mediados del siglo XX hizo necesaria la implantación de una normativa que regulara el acceso a este servicio a través de las infraestructuras comunes de telecomunicación. Estas infraestructuras están formadas por diversos elementos que pueden alterar los parámetros de calidad de la señal de televisión radiodifundida, actualmente bajo norma DVB-T. Normalmente, los diseños de las redes se hacen atendiendo a las atenuaciones que presentan los dispositivos pero sin tener en cuenta la influencia de los mismos sobre los parámetros de calidad de la señal. Por ello, es necesario conocer esta influencia para que, a la hora de diseñar una red, se cumplan no solo los requisitos de nivel de señal en las tomas de usuario sino que también se han de cumplir los requisitos de calidad (MER, relación portadora a ruido, CBER). Para llevar a cabo este estudio, en primer lugar es necesario conocer los equipos de generación y medida de señales DVB-T. El conocimiento de las características de estos equipos, las funciones que pueden realizar y sus limitaciones ayudan a llevar a cabo un buen estudio de los parámetros de calidad de la señal. Posteriormente, se realiza un estudio individual de los elementos utilizados para la construcción de una red de distribución de señal de televisión digital terrestre con el objetivo de comprobar su comportamiento en frecuencia, ya que según los fabricantes su respuesta en frecuencia es plana, y su influencia sobre la calidad de la señal. Además, se utilizarán elementos de distintas características para conocer la influencia de dichas características sobre los parámetros de calidad. Una vez llevado a cabo este estudio individual, se construye una infraestructura común de telecomunicaciones para realizar las medidas necesarias en las tomas de usuario y en puntos intermedios para así conocer cómo empeora la calidad de la señal a lo largo de este tipo de redes. ABSTRACT. The increase in population with access to television services in the middle of the 20th century, made it necessary to set a new rule to regulate this service access through the common telecommunications infrastructures. These infrastructures are composed by different elements which can alter the parameters of quality of the broadcasted television signal, nowadays under DVB-T standard. Networks design are usually made taking into account the loss of each device but without taking into account the influence on the quality parameters of the signal. Because of that, it is necessary to know this influence in order to meet not only the level requirements but also the quality requirements (MER, carrier-to-noise relation, CBER). To carry out this study, it is first necessary to understand the generation and measurement DVB-T signal equipment. The knowledge of the characteristics of these devices, their functions and limitations help to carry out a good study of the signal quality parameters. Subsequently, an individual examination of the elements used to build a distribution network of digital terrestrial television is performed in order to check its frequency dependence, since according to manufacturers’ datasheets the frequency is flat, and its influence on the signal quality parameters. In addition, elements of different characteristics are used to determine the influence of these characteristics on the quality parameters. Once done this single study, a common telecommunications infrastructure is built to perform the necessary measurements at the user points and at intermediate points in order to know how the quality of the signal over this kind of networks.

Evaluación de tecnologías de manejo de arvenses en el cultivo de la caña de azúcar (Saccharum spp. híbrido)

En Cuba, las arvenses que afectan al cultivo de la caña de azúcar son una de las causas fundamentales de los bajos rendimientos agrícolas y su control constituye unas de las principales partidas de gastos. En general, se aplican los herbicidas, así como otros métodos de control, sin tener en cuenta el tipo de suelo y las características de estas plantas. Sobre el manejo de arvenses no existen trabajos de investigación que aborden aspectos de eficiencia energética de las producciones y daños al ambiente. Por lo antes señalado, el objetivo de esta investigación fue evaluar diversas tecnologías de manejo de arvenses en el cultivo de la caña de azúcar (Saccharum spp. híbrido), en cepas de primavera y retoño, en tres tipos de suelos, con el propósito de obtener producciones sustentables. El área de estudio se localizó en los campos de la Empresa Azucarera del municipio “Majibacoa”, provincia de Las Tunas (oriente de Cuba), que posee condiciones edafoclimáticas que abundan a lo largo del país. Los tres tipos de suelos más representativos son Fersialítico Pardo Rojizo ócrico, Pardo Mullido y Vertisol Crómico gléyco. En dicha área se han identificado 31 especies de arvenses, 16 de la clase Liliopsida y 15 de la Magnoliopsida. En un primer grupo de experimentos, se desarrollaron nueve ensayos de campo para evaluar la efectividad de herbicidas y mezclas de estos en el manejo de arvenses en el cultivo de la caña de azúcar, tanto en cepas de primavera como de retoño, en los tres tipos de suelos. Se establecieron parcelas de 80 m2 distribuidas en bloques al azar con cuatro réplicas. La efectividad se evaluó por medio del porcentaje de cobertura por arvenses y la fitotoxicidad provocada a las plantas de caña, teniendo en cuenta el coste asociado a cada tratamiento. En aplicaciones preemergentes en caña planta de primavera, el herbicida más eficiente fue el Isoxaflutole con dosis de 0,15; 0,20 y 0,25 kg.ha-1 de producto comercial (pc) en los suelos Fersialítico, Pardo y Vertisol respectivamente. En aplicaciones postemergentes tempranas la mezcla más eficiente fue la de Isoxaflutole + Ametrina +2,4-D con las dosis de Isoxaflutole citadas anteriormente. En aplicaciones preemergentes en cepa de retoño, el herbicida más eficiente fue el Isoxaflutole a dosis de 0,20 kg.ha-1 pc para el suelo Fersialítico y a 0,25 kg.ha-1 pc para los suelos Pardo y Vertisol. En un segundo grupo, se realizaron seis ensayos de campo distribuidos en dos fases. En la primera fase, se desarrollaron tres experimentos, uno por cada tipo de suelo, para evaluar la eficiencia de nueve tecnologías de manejo de arvenses (químicas y físicas combinadas) en cepa de primavera de caña de azúcar. En la siguiente fase, los tres ensayos restantes (uno por tipo de suelo) evaluaron tecnologías de manejo de arvenses durante dos ciclos de producción de caña de azúcar (etapa de primavera y retoño). En la etapa de primavera se aplicó la tecnología más eficiente de los tres experimentos anteriores y durante la etapa de retoño se evaluaron otras nueve tecnologías propias de este tipo de cepa. En estos experimentos los diferentes tratamientos se aplicaron en franjas distribuidas al azar con cuatro réplicas. En las tecnologías evaluadas se emplearon los herbicidas y mezclas que resultaron más eficientes en el primer grupo de experimentos. En cada caso, se evaluaron la eficiencia energética de la producción de azúcar y otros derivados, la resistencia a la penetración de los suelos, la carga contaminante hacia la atmósfera producto de la combustión del diésel y los beneficios al aplicar las diferentes tecnologías. En la primera fase (cepa de primavera), la tecnología con mejor resultado fue la aplicación preemergente de Isoxaflutole inmediatamente después de la plantación, seguida de descepe químico con Glufosinato de amonio, más labor con grada múltiple aproximadamente a los 80 días de la plantación y aplicación pre-cierre con Glufosinato de amonio. En la segunda fase (dos ciclos del cultivo), el mejor resultado se obtuvo cuando en la etapa de retoño se realizó una aplicación preemergente de Isoxaflutole, descepe químico con Glufosinato de amonio y aplicación pre-cierre con este mismo herbicida. En los tres tipos de suelos durante los dos ciclos, la eficiencia energética tuvo valores de 7,2 - 7,5, la resistencia a la penetración 1,2 - 1,5 MPa, la carga contaminante hacia la atmósfera fue de 63,3 - 64,9 kg.t-1 de caña cosechada y beneficios de 8.324 - 8.455 pesos cubanos por hectárea. Este estudio demuestra que un control eficiente de las arvenses debe tener en cuenta necesariamente el tipo de suelo. Así, en los Vertisoles, con mayor contenido en arcilla, se requieren mayores dosis de Isoxaflutole y la eficiencia energética de la producción es menor. La persistencia de ciertas arvenses, especialmente de la clase Liliopsida, requiere de un manejo integrado que incluya diferentes tipos de herbicidas. ABSTRACT In Cuba, weeds affecting the sugarcane are one of the main causes of low agricultural yields, and their control constitutes some of the main items of expenditure. In general, herbicides are applied, as well as other control methods, without keeping in mind the soil type and the characteristics of these plants. Moreover, weed control research approaching aspects about energy efficiency of the crop production, and environmental damages are missing. Hence, the objective of this investigation was to evaluate diverse technologies of weed handling in sugarcane (Saccharum spp. hybrid), both in spring cane plant and ratoon, in three types of soils, with the purpose of obtaining sustainable productions. The study area was located in the fields of the Sugar Enterprise of the Municipality "Majibacoa”, Las Tunas province (east of Cuba) that possesses ecological conditions that are plentiful along the country. The three more representative types of soils are Fersialitic, Brown, and Vertisol. In this area 31 weeds species have been identified, 16 of the Class Liliopsida and 15 of the Magnoliopsida. In a first group of experiments, nine field rehearsals were developed to evaluate the effectiveness of herbicides and mixtures of these for weed handling in sugarcane, in spring cane plants as well as in ratoon, in the three types of soils. Plots of 80 m-2 were distributed at random blocks with four replications. The effectiveness was evaluated by means of the covering percentage by weeds and the provoked toxicity to the cane plants, keeping in mind the cost associated to each treatment. In preemergence applications in spring cane plant, the most efficient herbicide was the Isoxaflutole with dose of 0.15; 0.20 and 0.25 kg.ha-1 of commercial product (pc) in the soils Fersialítico, Brown and Vertisol respectively. In early postemergence applications the most efficient mixture was that of Isoxaflutole + Ametrina + 2,4-D with the doses of Isoxaflutole mentioned previously. In preemergence applications in ratoon, the most efficient herbicide was the Isoxaflutole at dose of 0.20 kg.ha-1 pc for the soil Fersialític and to 0.25 kg. ha-1 pc for the Brown soil and Vertisol. In a second group, six field rehearsals distributed in two phases were carried out. In the first phase, three experiments were developed, one for each soil type, to evaluate the efficiency of nine technologies of weed handling in spring cane plant. In the following phase, the three remaining rehearsals (one for each soil type) diverse technologies of weed handling were evaluated during two cycles of sugarcane production (spring stage and ratoon). In the spring stage the most efficient technology in the three previous experiments was applied and during ratoon stage other nine technologies were evaluated. In these experiments the different treatments were applied in fringes distributed at random with four replicas. In the evaluated technologies the herbicides and mixtures were used selecting those that were more efficient in the first group of experiments. In each case, the energy efficiency of the sugar production and other derivatives, the soil penetration resistance, the polluting load toward the atmosphere product of the combustion, and the benefits when applying the different technologies were all evaluated. In the first phase (spring cane plant), the technology with better result was the preemergence application of Isoxaflutole immediately after the plantation, followed by chemical eradication with Ammonia Glufosinate, hoeing work with multiple tier approximately to the 80 days of the plantation and pre-closing application with Ammonia Glufosinate. In the second phase (two cycles of the cultivation), the best result was obtained when a preemergence application of Isoxaflutole was carried out in sprout's stage, chemical eradication with Ammonia Glufosinate and pre-closing application with this same herbicide. In the three types of soils during the two cycles, the energy efficiency achieved values of 7.2 to 7.5, the resistance to the penetration 1.2 - 1.5 MPa, the polluting load toward the atmosphere was of 63.3 - 64.9 kg.t-1 of the harvested cane and the obtained benefits of 8,324 - 8,455 Cuban pesos per hectare. This study demonstrates that an efficient control of the weeds should necessarily keep in mind the soil type. This way, in the Vertisols, with more clay content, bigger dose of Isoxaflutole is required and the energy efficiency of the production is smaller. The persistence of certain weeds, especially of the class Liliopsida, requires of an integrated handling him to include different types of herbicides.

Caracterización acústica de elementos constructivos habituales en la edificación residencial española, mediante ensayos en obra y en laboratorio

El aislamiento acústico de elementos constructivos obtenido en obra difiere del aislamiento acústico obtenido en laboratorio, tanto para ruido aéreo como para ruido de impactos. Esto se produce porque el aislamiento acústico de cualquier elemento constructivo, como por ejemplo una pared, está influido por los elementos constructivos conectados a ella, como son tabiques, forjados o fachadas, ya que los elementos constructivos, en presencia del campo acústico vibran y transmiten sus vibraciones al elemento de separación produciendo la transmisión indirecta estructural o también denominada transmisión por flancos. El objeto de esta comunicación es cuantificar la pérdida de aislamiento acústico a ruido aéreo, que se produce en la edificación y que es atribuible a las transmisiones indirectas. En el caso de los edificios estudiados, la pérdida de aislamiento acústico puede variar de 4 a 10 dB.

Cognitive strategies for security in wireless sensor networks

Las redes de sensores inalámbricas son uno de los sectores con más crecimiento dentro de las redes inalámbricas. La rápida adopción de estas redes como solución para muchas nuevas aplicaciones ha llevado a un creciente tráfico en el espectro radioeléctrico. Debido a que las redes inalámbricas de sensores operan en las bandas libres Industrial, Scientific and Medical (ISM) se ha producido una saturación del espectro que en pocos años no permitirá un buen funcionamiento. Con el objetivo de solucionar este tipo de problemas ha aparecido el paradigma de Radio Cognitiva (CR). La introducción de las capacidades cognitivas en las redes inalámbricas de sensores permite utilizar estas redes para aplicaciones con unos requisitos más estrictos respecto a fiabilidad, cobertura o calidad de servicio. Estas redes que aúnan todas estas características son llamadas redes de sensores inalámbricas cognitivas (CWSNs). La mejora en prestaciones de las CWSNs permite su utilización en aplicaciones críticas donde antes no podían ser utilizadas como monitorización de estructuras, de servicios médicos, en entornos militares o de vigilancia. Sin embargo, estas aplicaciones también requieren de otras características que la radio cognitiva no nos ofrece directamente como, por ejemplo, la seguridad. La seguridad en CWSNs es un aspecto poco desarrollado al ser una característica no esencial para su funcionamiento, como pueden serlo el sensado del espectro o la colaboración. Sin embargo, su estudio y mejora es esencial de cara al crecimiento de las CWSNs. Por tanto, esta tesis tiene como objetivo implementar contramedidas usando las nuevas capacidades cognitivas, especialmente en la capa física, teniendo en cuenta las limitaciones con las que cuentan las WSNs. En el ciclo de trabajo de esta tesis se han desarrollado dos estrategias de seguridad contra ataques de especial importancia en redes cognitivas: el ataque de simulación de usuario primario (PUE) y el ataque contra la privacidad eavesdropping. Para mitigar el ataque PUE se ha desarrollado una contramedida basada en la detección de anomalías. Se han implementado dos algoritmos diferentes para detectar este ataque: el algoritmo de Cumulative Sum y el algoritmo de Data Clustering. Una vez comprobado su validez se han comparado entre sí y se han investigado los efectos que pueden afectar al funcionamiento de los mismos. Para combatir el ataque de eavesdropping se ha desarrollado una contramedida basada en la inyección de ruido artificial de manera que el atacante no distinga las señales con información del ruido sin verse afectada la comunicación que nos interesa. También se ha estudiado el impacto que tiene esta contramedida en los recursos de la red. Como resultado paralelo se ha desarrollado un marco de pruebas para CWSNs que consta de un simulador y de una red de nodos cognitivos reales. Estas herramientas han sido esenciales para la implementación y extracción de resultados de la tesis. ABSTRACT Wireless Sensor Networks (WSNs) are one of the fastest growing sectors in wireless networks. The fast introduction of these networks as a solution in many new applications has increased the traffic in the radio spectrum. Due to the operation of WSNs in the free industrial, scientific, and medical (ISM) bands, saturation has ocurred in these frequencies that will make the same operation methods impossible in the future. Cognitive radio (CR) has appeared as a solution for this problem. The networks that join all the mentioned features together are called cognitive wireless sensor networks (CWSNs). The adoption of cognitive features in WSNs allows the use of these networks in applications with higher reliability, coverage, or quality of service requirements. The improvement of the performance of CWSNs allows their use in critical applications where they could not be used before such as structural monitoring, medical care, military scenarios, or security monitoring systems. Nevertheless, these applications also need other features that cognitive radio does not add directly, such as security. The security in CWSNs has not yet been explored fully because it is not necessary field for the main performance of these networks. Instead, other fields like spectrum sensing or collaboration have been explored deeply. However, the study of security in CWSNs is essential for their growth. Therefore, the main objective of this thesis is to study the impact of some cognitive radio attacks in CWSNs and to implement countermeasures using new cognitive capabilities, especially in the physical layer and considering the limitations of WSNs. Inside the work cycle of this thesis, security strategies against two important kinds of attacks in cognitive networks have been developed. These attacks are the primary user emulator (PUE) attack and the eavesdropping attack. A countermeasure against the PUE attack based on anomaly detection has been developed. Two different algorithms have been implemented: the cumulative sum algorithm and the data clustering algorithm. After the verification of these solutions, they have been compared and the side effects that can disturb their performance have been analyzed. The developed approach against the eavesdropping attack is based on the generation of artificial noise to conceal information messages. The impact of this countermeasure on network resources has also been studied. As a parallel result, a new framework for CWSNs has been developed. This includes a simulator and a real network with cognitive nodes. This framework has been crucial for the implementation and extraction of the results presented in this thesis.

Rehabilitación acústica

El ámbito de aplicación del DB HR protección frente al ruido excluye las obras de ampliación, modificación, reforma o rehabilitación en los edificios existentes, salvo cuando se trate de rehabilitación integral, concepto definido en la parte I del CTE . Esto supone que en gran parte de las intervenciones realizadas en edificios existentes no es obligatorio llevar a cabo medidas correctoras que aumenten la calidad acústica de dichos edificios. Esto, sumado al hecho de que existen otros condicionantes (plazos de ejecución, otras normativas aplicables, presupuesto, etc.), hace que el estudio de las condiciones acústicas, en obras de rehabilitación, pase a un segundo plano. Sin embargo, cada obra de rehabilitación es una oportunidad de mejorar las deficientes condiciones acústicas de los edificios dentro de lo viable técnica y económicamente, a pesar de que puede que no se lleguen a alcanzar los niveles exigidos en el DB HR. El grado de intervención puede ser muy diverso: desde simples obras de conservación o reforma, a las ampliaciones, cambios de uso, redistribuciones, etc. Aquí se pretende mostrar una herramienta válida para el proyectista en las primeras fases del proyecto de rehabilitación que permita evaluar las distintas posibilidades de intervención en el edificio, siempre y cuando se disponga de información sobre las soluciones constructivas y sus uniones, pudiendo estimarse sus valores de aislamiento acústico en laboratorio, RA y Lnw.

Problemas de estimación en transmisión digital: Demostraciones por métodos elementales

En el diseño de receptores de sistemas de transmisión digital es necesario resolver ciertos problemas de estimación de variables aleatorias o procesos aleatorios a partir de observaciones de los mismos afectadas por distorsión y ruido. En este breve documento abordamos estos problemas de estimación mediante métodos matemáticos absolutamente elementales. La observación básica es que si sabemos encontrar el mínimo de una función cuadrática real de variable compleja, podemos resolver estos problemas de forma sencilla y rigurosa. En particular evitamos el uso del principio de ortogonalidad, que requeriría que el lector estuviera familiarizado con el manejo de un espacio de variables aleatorias como conjunto con producto interno.

Cognitive strategies for reducing energy consumption in wireless sensor networks

El consumo energético de las Redes de Sensores Inalámbricas (WSNs por sus siglas en inglés) es un problema histórico que ha sido abordado desde diferentes niveles y visiones, ya que no solo afecta a la propia supervivencia de la red sino que el creciente uso de dispositivos inteligentes y el nuevo paradigma del Internet de las Cosas hace que las WSNs tengan cada vez una mayor influencia en la huella energética. Debido a la tendencia al alza en el uso de estas redes se añade un nuevo problema, la saturación espectral. Las WSNs operan habitualmente en bandas sin licencia como son las bandas Industrial, Científica y Médica (ISM por sus siglas en inglés). Estas bandas se comparten con otro tipo de redes como Wi-Fi o Bluetooth cuyo uso ha crecido exponencialmente en los últimos años. Para abordar este problema aparece el paradigma de la Radio Cognitiva (CR), una tecnología que permite el acceso oportunista al espectro. La introducción de capacidades cognitivas en las WSNs no solo permite optimizar su eficiencia espectral sino que también tiene un impacto positivo en parámetros como la calidad de servicio, la seguridad o el consumo energético. Sin embargo, por otra parte, este nuevo paradigma plantea algunos retos relacionados con el consumo energético. Concretamente, el sensado del espectro, la colaboración entre los nodos (que requiere comunicación adicional) y el cambio en los parámetros de transmisión aumentan el consumo respecto a las WSN clásicas. Teniendo en cuenta que la investigación en el campo del consumo energético ha sido ampliamente abordada puesto que se trata de una de sus principales limitaciones, asumimos que las nuevas estrategias deben surgir de las nuevas capacidades añadidas por las redes cognitivas. Por otro lado, a la hora de diseñar estrategias de optimización para CWSN hay que tener muy presentes las limitaciones de recursos de estas redes en cuanto a memoria, computación y consumo energético de los nodos. En esta tesis doctoral proponemos dos estrategias de reducción de consumo energético en CWSNs basadas en tres pilares fundamentales. El primero son las capacidades cognitivas añadidas a las WSNs que proporcionan la posibilidad de adaptar los parámetros de transmisión en función del espectro disponible. La segunda es la colaboración, como característica intrínseca de las CWSNs. Finalmente, el tercer pilar de este trabajo es teoría de juegos como algoritmo de soporte a la decisión, ampliamente utilizado en WSNs debido a su simplicidad. Como primer aporte de la tesis se presenta un análisis completo de las posibilidades introducidas por la radio cognitiva en materia de reducción de consumo para WSNs. Gracias a las conclusiones extraídas de este análisis, se han planteado las hipótesis de esta tesis relacionadas con la validez de usar capacidades cognitivas como herramienta para la reducción de consumo en CWSNs. Una vez presentada las hipótesis, pasamos a desarrollar las principales contribuciones de la tesis: las dos estrategias diseñadas para reducción de consumo basadas en teoría de juegos y CR. La primera de ellas hace uso de un juego no cooperativo que se juega mediante pares de jugadores. En la segunda estrategia, aunque el juego continúa siendo no cooperativo, se añade el concepto de colaboración. Para cada una de las estrategias se presenta el modelo del juego, el análisis formal de equilibrios y óptimos y la descripción de la estrategia completa donde se incluye la interacción entre nodos. Con el propósito de probar las estrategias mediante simulación e implementación en dispositivos reales hemos desarrollado un marco de pruebas compuesto por un simulador cognitivo y un banco de pruebas formado por nodos cognitivos capaces de comunicarse en tres bandas ISM desarrollados en el B105 Lab. Este marco de pruebas constituye otra de las aportaciones de la tesis que permitirá el avance en la investigación en el área de las CWSNs. Finalmente, se presentan y discuten los resultados derivados de la prueba de las estrategias desarrolladas. La primera estrategia proporciona ahorros de energía mayores al 65% comparados con una WSN sin capacidades cognitivas y alrededor del 25% si la comparamos con una estrategia cognitiva basada en el sensado periódico del espectro para el cambio de canal de acuerdo a un nivel de ruido fijado. Este algoritmo se comporta de forma similar independientemente del nivel de ruido siempre que éste sea espacialmente uniformemente. Esta estrategia, a pesar de su sencillez, nos asegura el comportamiento óptimo en cuanto a consumo energético debido a la utilización de teoría de juegos en la fase de diseño del comportamiento de los nodos. La estrategia colaborativa presenta mejoras respecto a la anterior en términos de protección frente al ruido en escenarios de ruido más complejos donde aporta una mejora del 50% comparada con la estrategia anterior. ABSTRACT Energy consumption in Wireless Sensor Networks (WSNs) is a known historical problem that has been addressed from different areas and on many levels. But this problem should not only be approached from the point of view of their own efficiency for survival. A major portion of communication traffic has migrated to mobile networks and systems. The increased use of smart devices and the introduction of the Internet of Things (IoT) give WSNs a great influence on the carbon footprint. Thus, optimizing the energy consumption of wireless networks could reduce their environmental impact considerably. In recent years, another problem has been added to the equation: spectrum saturation. Wireless Sensor Networks usually operate in unlicensed spectrum bands such as Industrial, Scientific, and Medical (ISM) bands shared with other networks (mainly Wi-Fi and Bluetooth). To address the efficient spectrum utilization problem, Cognitive Radio (CR) has emerged as the key technology that enables opportunistic access to the spectrum. Therefore, the introduction of cognitive capabilities to WSNs allows optimizing their spectral occupation. Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs) do not only increase the reliability of communications, but they also have a positive impact on parameters such as the Quality of Service (QoS), network security, or energy consumption. These new opportunities introduced by CWSNs unveil a wide field in the energy consumption research area. However, this also implies some challenges. Specifically, the spectrum sensing stage, collaboration among devices (which requires extra communication), and changes in the transmission parameters increase the total energy consumption of the network. When designing CWSN optimization strategies, the fact that WSN nodes are very limited in terms of memory, computational power, or energy consumption has to be considered. Thus, light strategies that require a low computing capacity must be found. Since the field of energy conservation in WSNs has been widely explored, we assume that new strategies could emerge from the new opportunities presented by cognitive networks. In this PhD Thesis, we present two strategies for energy consumption reduction in CWSNs supported by three main pillars. The first pillar is that cognitive capabilities added to the WSN provide the ability to change the transmission parameters according to the spectrum. The second pillar is that the ability to collaborate is a basic characteristic of CWSNs. Finally, the third pillar for this work is the game theory as a decision-making algorithm, which has been widely used in WSNs due to its lightness and simplicity that make it valid to operate in CWSNs. For the development of these strategies, a complete analysis of the possibilities is first carried out by incorporating the cognitive abilities into the network. Once this analysis has been performed, we expose the hypotheses of this thesis related to the use of cognitive capabilities as a useful tool to reduce energy consumption in CWSNs. Once the analyses are exposed, we present the main contribution of this thesis: the two designed strategies for energy consumption reduction based on game theory and cognitive capabilities. The first one is based on a non-cooperative game played between two players in a simple and selfish way. In the second strategy, the concept of collaboration is introduced. Despite the fact that the game used is also a non-cooperative game, the decisions are taken through collaboration. For each strategy, we present the modeled game, the formal analysis of equilibrium and optimum, and the complete strategy describing the interaction between nodes. In order to test the strategies through simulation and implementation in real devices, we have developed a CWSN framework composed by a CWSN simulator based on Castalia and a testbed based on CWSN nodes able to communicate in three different ISM bands. We present and discuss the results derived by the energy optimization strategies. The first strategy brings energy improvement rates of over 65% compared to WSN without cognitive techniques. It also brings energy improvement rates of over 25% compared with sensing strategies for changing channels based on a decision threshold. We have also seen that the algorithm behaves similarly even with significant variations in the level of noise while working in a uniform noise scenario. The collaborative strategy presents improvements respecting the previous strategy in terms of noise protection when the noise scheme is more complex where this strategy shows improvement rates of over 50%.

Optimización de aperturas mediante técnicas de algoritmos evolutivos

Los sistemas de imagen por ultrasonidos son hoy una herramienta indispensable en aplicaciones de diagnóstico en medicina y son cada vez más utilizados en aplicaciones industriales en el área de ensayos no destructivos. El array es el elemento primario de estos sistemas y su diseño determina las características de los haces que se pueden construir (forma y tamaño del lóbulo principal, de los lóbulos secundarios y de rejilla, etc.), condicionando la calidad de las imágenes que pueden conseguirse. En arrays regulares la distancia máxima entre elementos se establece en media longitud de onda para evitar la formación de artefactos. Al mismo tiempo, la resolución en la imagen de los objetos presentes en la escena aumenta con el tamaño total de la apertura, por lo que una pequeña mejora en la calidad de la imagen se traduce en un aumento significativo del número de elementos del transductor. Esto tiene, entre otras, las siguientes consecuencias: Problemas de fabricación de los arrays por la gran densidad de conexiones (téngase en cuenta que en aplicaciones típicas de imagen médica, el valor de la longitud de onda es de décimas de milímetro) Baja relación señal/ruido y, en consecuencia, bajo rango dinámico de las señales por el reducido tamaño de los elementos. Complejidad de los equipos que deben manejar un elevado número de canales independientes. Por ejemplo, se necesitarían 10.000 elementos separados λ 2 para una apertura cuadrada de 50 λ. Una forma sencilla para resolver estos problemas existen alternativas que reducen el número de elementos activos de un array pleno, sacrificando hasta cierto punto la calidad de imagen, la energía emitida, el rango dinámico, el contraste, etc. Nosotros planteamos una estrategia diferente, y es desarrollar una metodología de optimización capaz de hallar de forma sistemática configuraciones de arrays de ultrasonido adaptados a aplicaciones específicas. Para realizar dicha labor proponemos el uso de los algoritmos evolutivos para buscar y seleccionar en el espacio de configuraciones de arrays aquellas que mejor se adaptan a los requisitos fijados por cada aplicación. En la memoria se trata el problema de la codificación de las configuraciones de arrays para que puedan ser utilizados como individuos de la población sobre la que van a actuar los algoritmos evolutivos. También se aborda la definición de funciones de idoneidad que permitan realizar comparaciones entre dichas configuraciones de acuerdo con los requisitos y restricciones de cada problema de diseño. Finalmente, se propone emplear el algoritmo multiobjetivo NSGA II como herramienta primaria de optimización y, a continuación, utilizar algoritmos mono-objetivo tipo Simulated Annealing para seleccionar y retinar las soluciones proporcionadas por el NSGA II. Muchas de las funciones de idoneidad que definen las características deseadas del array a diseñar se calculan partir de uno o más patrones de radiación generados por cada solución candidata. La obtención de estos patrones con los métodos habituales de simulación de campo acústico en banda ancha requiere tiempos de cálculo muy grandes que pueden hacer inviable el proceso de optimización con algoritmos evolutivos en la práctica. Como solución, se propone un método de cálculo en banda estrecha que reduce en, al menos, un orden de magnitud el tiempo de cálculo necesario Finalmente se presentan una serie de ejemplos, con arrays lineales y bidimensionales, para validar la metodología de diseño propuesta comparando experimentalmente las características reales de los diseños construidos con las predicciones del método de optimización. ABSTRACT Currently, the ultrasound imaging system is one of the powerful tools in medical diagnostic and non-destructive testing for industrial applications. Ultrasonic arrays design determines the beam characteristics (main and secondary lobes, beam pattern, etc...) which assist to enhance the image resolution. The maximum distance between the elements of the array should be the half of the wavelength to avoid the formation of grating lobes. At the same time, the image resolution of the target in the region of interest increases with the aperture size. Consequently, the larger number of elements in arrays assures the better image quality but this improvement contains the following drawbacks: Difficulties in the arrays manufacturing due to the large connection density. Low noise to signal ratio. Complexity of the ultrasonic system to handle large number of channels. The easiest way to resolve these issues is to reduce the number of active elements in full arrays, but on the other hand the image quality, dynamic range, contrast, etc, are compromised by this solutions In this thesis, an optimization methodology able to find ultrasound array configurations adapted for specific applications is presented. The evolutionary algorithms are used to obtain the ideal arrays among the existing configurations. This work addressed problems such as: the codification of ultrasound arrays to be interpreted as individuals in the evolutionary algorithm population and the fitness function and constraints, which will assess the behaviour of individuals. Therefore, it is proposed to use the multi-objective algorithm NSGA-II as a primary optimization tool, and then use the mono-objective Simulated Annealing algorithm to select and refine the solutions provided by the NSGA I I . The acoustic field is calculated many times for each individual and in every generation for every fitness functions. An acoustic narrow band field simulator, where the number of operations is reduced, this ensures a quick calculation of the acoustic field to reduce the expensive computing time required by these functions we have employed. Finally a set of examples are presented in order to validate our proposed design methodology, using linear and bidimensional arrays where the actual characteristics of the design are compared with the predictions of the optimization methodology.