Distributed collaborative processing in wireless sensor networks with application to target localization and beamforming

Abstract The proliferation of wireless sensor networks and the variety of envisioned applications associated with them has motivated the development of distributed algorithms for collaborative processing over networked systems. One of the applications that has attracted the attention of the researchers is that of target localization where the nodes of the network try to estimate the position of an unknown target that lies within its coverage area. Particularly challenging is the problem of estimating the target’s position when we use received signal strength indicator (RSSI) due to the nonlinear relationship between the measured signal and the true position of the target. Many of the existing approaches suffer either from high computational complexity (e.g., particle filters) or lack of accuracy. Further, many of the proposed solutions are centralized which make their application to a sensor network questionable. Depending on the application at hand and, from a practical perspective it could be convenient to find a balance between localization accuracy and complexity. Into this direction we approach the maximum likelihood location estimation problem by solving a suboptimal (and more tractable) problem. One of the main advantages of the proposed scheme is that it allows for a decentralized implementation using distributed processing tools (e.g., consensus and convex optimization) and therefore, it is very suitable to be implemented in real sensor networks. If further accuracy is needed an additional refinement step could be performed around the found solution. Under the assumption of independent noise among the nodes such local search can be done in a fully distributed way using a distributed version of the Gauss-Newton method based on consensus. Regardless of the underlying application or function of the sensor network it is al¬ways necessary to have a mechanism for data reporting. While some approaches use a special kind of nodes (called sink nodes) for data harvesting and forwarding to the outside world, there are however some scenarios where such an approach is impractical or even impossible to deploy. Further, such sink nodes become a bottleneck in terms of traffic flow and power consumption. To overcome these issues instead of using sink nodes for data reporting one could use collaborative beamforming techniques to forward directly the generated data to a base station or gateway to the outside world. In a dis-tributed environment like a sensor network nodes cooperate in order to form a virtual antenna array that can exploit the benefits of multi-antenna communications. In col-laborative beamforming nodes synchronize their phases in order to add constructively at the receiver. Some of the inconveniences associated with collaborative beamforming techniques is that there is no control over the radiation pattern since it is treated as a random quantity. This may cause interference to other coexisting systems and fast bat-tery depletion at the nodes. Since energy-efficiency is a major design issue we consider the development of a distributed collaborative beamforming scheme that maximizes the network lifetime while meeting some quality of service (QoS) requirement at the re¬ceiver side. Using local information about battery status and channel conditions we find distributed algorithms that converge to the optimal centralized beamformer. While in the first part we consider only battery depletion due to communications beamforming, we extend the model to account for more realistic scenarios by the introduction of an additional random energy consumption. It is shown how the new problem generalizes the original one and under which conditions it is easily solvable. By formulating the problem under the energy-efficiency perspective the network’s lifetime is significantly improved. Resumen La proliferación de las redes inalámbricas de sensores junto con la gran variedad de posi¬bles aplicaciones relacionadas, han motivado el desarrollo de herramientas y algoritmos necesarios para el procesado cooperativo en sistemas distribuidos. Una de las aplicaciones que suscitado mayor interés entre la comunidad científica es la de localization, donde el conjunto de nodos de la red intenta estimar la posición de un blanco localizado dentro de su área de cobertura. El problema de la localization es especialmente desafiante cuando se usan niveles de energía de la seal recibida (RSSI por sus siglas en inglés) como medida para la localization. El principal inconveniente reside en el hecho que el nivel de señal recibida no sigue una relación lineal con la posición del blanco. Muchas de las soluciones actuales al problema de localization usando RSSI se basan en complejos esquemas centralizados como filtros de partículas, mientas que en otras se basan en esquemas mucho más simples pero con menor precisión. Además, en muchos casos las estrategias son centralizadas lo que resulta poco prácticos para su implementación en redes de sensores. Desde un punto de vista práctico y de implementation, es conveniente, para ciertos escenarios y aplicaciones, el desarrollo de alternativas que ofrezcan un compromiso entre complejidad y precisión. En esta línea, en lugar de abordar directamente el problema de la estimación de la posición del blanco bajo el criterio de máxima verosimilitud, proponemos usar una formulación subóptima del problema más manejable analíticamente y que ofrece la ventaja de permitir en¬contrar la solución al problema de localization de una forma totalmente distribuida, convirtiéndola así en una solución atractiva dentro del contexto de redes inalámbricas de sensores. Para ello, se usan herramientas de procesado distribuido como los algorit¬mos de consenso y de optimización convexa en sistemas distribuidos. Para aplicaciones donde se requiera de un mayor grado de precisión se propone una estrategia que con¬siste en la optimización local de la función de verosimilitud entorno a la estimación inicialmente obtenida. Esta optimización se puede realizar de forma descentralizada usando una versión basada en consenso del método de Gauss-Newton siempre y cuando asumamos independencia de los ruidos de medida en los diferentes nodos. Independientemente de la aplicación subyacente de la red de sensores, es necesario tener un mecanismo que permita recopilar los datos provenientes de la red de sensores. Una forma de hacerlo es mediante el uso de uno o varios nodos especiales, llamados nodos “sumidero”, (sink en inglés) que actúen como centros recolectores de información y que estarán equipados con hardware adicional que les permita la interacción con el exterior de la red. La principal desventaja de esta estrategia es que dichos nodos se convierten en cuellos de botella en cuanto a tráfico y capacidad de cálculo. Como alter¬nativa se pueden usar técnicas cooperativas de conformación de haz (beamforming en inglés) de manera que el conjunto de la red puede verse como un único sistema virtual de múltiples antenas y, por tanto, que exploten los beneficios que ofrecen las comu¬nicaciones con múltiples antenas. Para ello, los distintos nodos de la red sincronizan sus transmisiones de manera que se produce una interferencia constructiva en el recep¬tor. No obstante, las actuales técnicas se basan en resultados promedios y asintóticos, cuando el número de nodos es muy grande. Para una configuración específica se pierde el control sobre el diagrama de radiación causando posibles interferencias sobre sis¬temas coexistentes o gastando más potencia de la requerida. La eficiencia energética es una cuestión capital en las redes inalámbricas de sensores ya que los nodos están equipados con baterías. Es por tanto muy importante preservar la batería evitando cambios innecesarios y el consecuente aumento de costes. Bajo estas consideraciones, se propone un esquema de conformación de haz que maximice el tiempo de vida útil de la red, entendiendo como tal el máximo tiempo que la red puede estar operativa garantizando unos requisitos de calidad de servicio (QoS por sus siglas en inglés) que permitan una decodificación fiable de la señal recibida en la estación base. Se proponen además algoritmos distribuidos que convergen a la solución centralizada. Inicialmente se considera que la única causa de consumo energético se debe a las comunicaciones con la estación base. Este modelo de consumo energético es modificado para tener en cuenta otras formas de consumo de energía derivadas de procesos inherentes al funcionamiento de la red como la adquisición y procesado de datos, las comunicaciones locales entre nodos, etc. Dicho consumo adicional de energía se modela como una variable aleatoria en cada nodo. Se cambia por tanto, a un escenario probabilístico que generaliza el caso determinista y se proporcionan condiciones bajo las cuales el problema se puede resolver de forma eficiente. Se demuestra que el tiempo de vida de la red mejora de forma significativa usando el criterio propuesto de eficiencia energética.

On-Chip Thermal Monitoring: Design, Placement and Interconnection of Temperature Sensors

La temperatura es una preocupación que juega un papel protagonista en el diseño de circuitos integrados modernos. El importante aumento de las densidades de potencia que conllevan las últimas generaciones tecnológicas ha producido la aparición de gradientes térmicos y puntos calientes durante el funcionamiento normal de los chips. La temperatura tiene un impacto negativo en varios parámetros del circuito integrado como el retardo de las puertas, los gastos de disipación de calor, la fiabilidad, el consumo de energía, etc. Con el fin de luchar contra estos efectos nocivos, la técnicas de gestión dinámica de la temperatura (DTM) adaptan el comportamiento del chip en función en la información que proporciona un sistema de monitorización que mide en tiempo de ejecución la información térmica de la superficie del dado. El campo de la monitorización de la temperatura en el chip ha llamado la atención de la comunidad científica en los últimos años y es el objeto de estudio de esta tesis. Esta tesis aborda la temática de control de la temperatura en el chip desde diferentes perspectivas y niveles, ofreciendo soluciones a algunos de los temas más importantes. Los niveles físico y circuital se cubren con el diseño y la caracterización de dos nuevos sensores de temperatura especialmente diseñados para los propósitos de las técnicas DTM. El primer sensor está basado en un mecanismo que obtiene un pulso de anchura variable dependiente de la relación de las corrientes de fuga con la temperatura. De manera resumida, se carga un nodo del circuito y posteriormente se deja flotando de tal manera que se descarga a través de las corrientes de fugas de un transistor; el tiempo de descarga del nodo es la anchura del pulso. Dado que la anchura del pulso muestra una dependencia exponencial con la temperatura, la conversión a una palabra digital se realiza por medio de un contador logarítmico que realiza tanto la conversión tiempo a digital como la linealización de la salida. La estructura resultante de esta combinación de elementos se implementa en una tecnología de 0,35 _m. El sensor ocupa un área muy reducida, 10.250 nm2, y consume muy poca energía, 1.05-65.5nW a 5 muestras/s, estas cifras superaron todos los trabajos previos en el momento en que se publicó por primera vez y en el momento de la publicación de esta tesis, superan a todas las implementaciones anteriores fabricadas en el mismo nodo tecnológico. En cuanto a la precisión, el sensor ofrece una buena linealidad, incluso sin calibrar; se obtiene un error 3_ de 1,97oC, adecuado para tratar con las aplicaciones de DTM. Como se ha explicado, el sensor es completamente compatible con los procesos de fabricación CMOS, este hecho, junto con sus valores reducidos de área y consumo, lo hacen especialmente adecuado para la integración en un sistema de monitorización de DTM con un conjunto de monitores empotrados distribuidos a través del chip. Las crecientes incertidumbres de proceso asociadas a los últimos nodos tecnológicos comprometen las características de linealidad de nuestra primera propuesta de sensor. Con el objetivo de superar estos problemas, proponemos una nueva técnica para obtener la temperatura. La nueva técnica también está basada en las dependencias térmicas de las corrientes de fuga que se utilizan para descargar un nodo flotante. La novedad es que ahora la medida viene dada por el cociente de dos medidas diferentes, en una de las cuales se altera una característica del transistor de descarga |la tensión de puerta. Este cociente resulta ser muy robusto frente a variaciones de proceso y, además, la linealidad obtenida cumple ampliamente los requisitos impuestos por las políticas DTM |error 3_ de 1,17oC considerando variaciones del proceso y calibrando en dos puntos. La implementación de la parte sensora de esta nueva técnica implica varias consideraciones de diseño, tales como la generación de una referencia de tensión independiente de variaciones de proceso, que se analizan en profundidad en la tesis. Para la conversión tiempo-a-digital, se emplea la misma estructura de digitalización que en el primer sensor. Para la implementación física de la parte de digitalización, se ha construido una biblioteca de células estándar completamente nueva orientada a la reducción de área y consumo. El sensor resultante de la unión de todos los bloques se caracteriza por una energía por muestra ultra baja (48-640 pJ) y un área diminuta de 0,0016 mm2, esta cifra mejora todos los trabajos previos. Para probar esta afirmación, se realiza una comparación exhaustiva con más de 40 propuestas de sensores en la literatura científica. Subiendo el nivel de abstracción al sistema, la tercera contribución se centra en el modelado de un sistema de monitorización que consiste de un conjunto de sensores distribuidos por la superficie del chip. Todos los trabajos anteriores de la literatura tienen como objetivo maximizar la precisión del sistema con el mínimo número de monitores. Como novedad, en nuestra propuesta se introducen nuevos parámetros de calidad aparte del número de sensores, también se considera el consumo de energía, la frecuencia de muestreo, los costes de interconexión y la posibilidad de elegir diferentes tipos de monitores. El modelo se introduce en un algoritmo de recocido simulado que recibe la información térmica de un sistema, sus propiedades físicas, limitaciones de área, potencia e interconexión y una colección de tipos de monitor; el algoritmo proporciona el tipo seleccionado de monitor, el número de monitores, su posición y la velocidad de muestreo _optima. Para probar la validez del algoritmo, se presentan varios casos de estudio para el procesador Alpha 21364 considerando distintas restricciones. En comparación con otros trabajos previos en la literatura, el modelo que aquí se presenta es el más completo. Finalmente, la última contribución se dirige al nivel de red, partiendo de un conjunto de monitores de temperatura de posiciones conocidas, nos concentramos en resolver el problema de la conexión de los sensores de una forma eficiente en área y consumo. Nuestra primera propuesta en este campo es la introducción de un nuevo nivel en la jerarquía de interconexión, el nivel de trillado (o threshing en inglés), entre los monitores y los buses tradicionales de periféricos. En este nuevo nivel se aplica selectividad de datos para reducir la cantidad de información que se envía al controlador central. La idea detrás de este nuevo nivel es que en este tipo de redes la mayoría de los datos es inútil, porque desde el punto de vista del controlador sólo una pequeña cantidad de datos |normalmente sólo los valores extremos| es de interés. Para cubrir el nuevo nivel, proponemos una red de monitorización mono-conexión que se basa en un esquema de señalización en el dominio de tiempo. Este esquema reduce significativamente tanto la actividad de conmutación sobre la conexión como el consumo de energía de la red. Otra ventaja de este esquema es que los datos de los monitores llegan directamente ordenados al controlador. Si este tipo de señalización se aplica a sensores que realizan conversión tiempo-a-digital, se puede obtener compartición de recursos de digitalización tanto en tiempo como en espacio, lo que supone un importante ahorro de área y consumo. Finalmente, se presentan dos prototipos de sistemas de monitorización completos que de manera significativa superan la características de trabajos anteriores en términos de área y, especialmente, consumo de energía. Abstract Temperature is a first class design concern in modern integrated circuits. The important increase in power densities associated to recent technology evolutions has lead to the apparition of thermal gradients and hot spots during run time operation. Temperature impacts several circuit parameters such as speed, cooling budgets, reliability, power consumption, etc. In order to fight against these negative effects, dynamic thermal management (DTM) techniques adapt the behavior of the chip relying on the information of a monitoring system that provides run-time thermal information of the die surface. The field of on-chip temperature monitoring has drawn the attention of the scientific community in the recent years and is the object of study of this thesis. This thesis approaches the matter of on-chip temperature monitoring from different perspectives and levels, providing solutions to some of the most important issues. The physical and circuital levels are covered with the design and characterization of two novel temperature sensors specially tailored for DTM purposes. The first sensor is based upon a mechanism that obtains a pulse with a varying width based on the variations of the leakage currents on the temperature. In a nutshell, a circuit node is charged and subsequently left floating so that it discharges away through the subthreshold currents of a transistor; the time the node takes to discharge is the width of the pulse. Since the width of the pulse displays an exponential dependence on the temperature, the conversion into a digital word is realized by means of a logarithmic counter that performs both the timeto- digital conversion and the linearization of the output. The structure resulting from this combination of elements is implemented in a 0.35_m technology and is characterized by very reduced area, 10250 nm2, and power consumption, 1.05-65.5 nW at 5 samples/s, these figures outperformed all previous works by the time it was first published and still, by the time of the publication of this thesis, they outnumber all previous implementations in the same technology node. Concerning the accuracy, the sensor exhibits good linearity, even without calibration it displays a 3_ error of 1.97oC, appropriate to deal with DTM applications. As explained, the sensor is completely compatible with standard CMOS processes, this fact, along with its tiny area and power overhead, makes it specially suitable for the integration in a DTM monitoring system with a collection of on-chip monitors distributed across the chip. The exacerbated process fluctuations carried along with recent technology nodes jeop-ardize the linearity characteristics of the first sensor. In order to overcome these problems, a new temperature inferring technique is proposed. In this case, we also rely on the thermal dependencies of leakage currents that are used to discharge a floating node, but now, the result comes from the ratio of two different measures, in one of which we alter a characteristic of the discharging transistor |the gate voltage. This ratio proves to be very robust against process variations and displays a more than suficient linearity on the temperature |1.17oC 3_ error considering process variations and performing two-point calibration. The implementation of the sensing part based on this new technique implies several issues, such as the generation of process variations independent voltage reference, that are analyzed in depth in the thesis. In order to perform the time-to-digital conversion, we employ the same digitization structure the former sensor used. A completely new standard cell library targeting low area and power overhead is built from scratch to implement the digitization part. Putting all the pieces together, we achieve a complete sensor system that is characterized by ultra low energy per conversion of 48-640pJ and area of 0.0016mm2, this figure outperforms all previous works. To prove this statement, we perform a thorough comparison with over 40 works from the scientific literature. Moving up to the system level, the third contribution is centered on the modeling of a monitoring system consisting of set of thermal sensors distributed across the chip. All previous works from the literature target maximizing the accuracy of the system with the minimum number of monitors. In contrast, we introduce new metrics of quality apart form just the number of sensors; we consider the power consumption, the sampling frequency, the possibility to consider different types of monitors and the interconnection costs. The model is introduced in a simulated annealing algorithm that receives the thermal information of a system, its physical properties, area, power and interconnection constraints and a collection of monitor types; the algorithm yields the selected type of monitor, the number of monitors, their position and the optimum sampling rate. We test the algorithm with the Alpha 21364 processor under several constraint configurations to prove its validity. When compared to other previous works in the literature, the modeling presented here is the most complete. Finally, the last contribution targets the networking level, given an allocated set of temperature monitors, we focused on solving the problem of connecting them in an efficient way from the area and power perspectives. Our first proposal in this area is the introduction of a new interconnection hierarchy level, the threshing level, in between the monitors and the traditional peripheral buses that applies data selectivity to reduce the amount of information that is sent to the central controller. The idea behind this new level is that in this kind of networks most data are useless because from the controller viewpoint just a small amount of data |normally extreme values| is of interest. To cover the new interconnection level, we propose a single-wire monitoring network based on a time-domain signaling scheme that significantly reduces both the switching activity over the wire and the power consumption of the network. This scheme codes the information in the time domain and allows a straightforward obtention of an ordered list of values from the maximum to the minimum. If the scheme is applied to monitors that employ TDC, digitization resource sharing is achieved, producing an important saving in area and power consumption. Two prototypes of complete monitoring systems are presented, they significantly overcome previous works in terms of area and, specially, power consumption.

Measurement of Distributed Antenna Systems at 2.4 GHz in a Realistic Subway Tunnel Environment.

Accurate characterization of the radio channel in tunnels is of great importance for new signaling and train control communications systems. To model this environment, measurements have been taken at 2.4 GHz in a real environment in Madrid subway. The measurements were carried out with four base station transmitters installed in a 2-km tunnel and using a mobile receiver installed on a standard train. First, with an optimum antenna configuration, all the propagation characteristics of a complex subway environment, including near shadowing, path loss,shadow fading, fast fading, level crossing rate (LCR), and average fade duration (AFD), have been measured and computed. Thereafter, comparisons of propagation characteristics in a double-track tunnel (9.8-m width) and a single-track tunnel (4.8-m width) have been made. Finally, all the measurement results have been shown in a complete table for accurate statistical modeling.

Distributed System for Cognitive Stimulation Over Interactive TV.

Descripción y evaluación de sistema de estimulación cognitiva a través de la TDT orientada a personas con enfermedad de Parkinson, con supervisión por parte de sus terapeutas de forma remota. Abstract: This paper details the full design, implementation, and validation of an e-health service in order to improve the community health care services for patients with cognitive disorders. Specifically, the new service allows Parkinson’s disease patients benefit from the possibility of doing cognitive stimulation therapy (CST) at home by using a familiar device such as a TV set. Its use instead of a PC could be a major advantage for some patients whose lack of familiarity with the use of a PC means that they can do therapy only in the presence of a therapist. For these patients this solution could bring about a great improvement in their autonomy. At the same time, this service provides therapists with the ability to conduct follow-up of therapy sessions via the web,benefiting from greater and easier control of the therapy exercises performed by patients and allowing them to customize new exercises in accordance with the particular needs of each patient. As a result, this kind of CST is considered to be a complement of other therapies oriented to the Parkinson patients. Furthermore, with small changes, the system could be useful for patients with a different cognitive disease such as Alzheimer’s or mild cognitive impairment.

Distributed bees algorithm for task allocation in swarm of robots

In this paper, we propose the distributed bees algorithm (DBA) for task allocation in a swarm of robots. In the proposed scenario, task allocation consists in assigning the robots to the found targets in a 2-D arena. The expected distribution is obtained from the targets' qualities that are represented as scalar values. Decision-making mechanism is distributed and robots autonomously choose their assignments taking into account targets' qualities and distances. We tested the scalability of the proposed DBA algorithm in terms of number of robots and number of targets. For that, the experiments were performed in the simulator for various sets of parameters, including number of robots, number of targets, and targets' utilities. Control parameters inherent to DBA were tuned to test how they affect the final robot distribution. The simulation results show that by increasing the robot swarm size, the distribution error decreased.

Control de vibraciones en pasarelas peatonales

En los últimos años se ha construido un gran número de pasarelas peatonales como respuesta a la demanda de nuevas vías de paso en las ciudades. Estas estructuras tienen requisitos constructivos menos exigentes en comparación con otros tipos de puentes, lo cual ha facilitado el desarrollo de diseños con nuevos esquemas resistentes, complicadas geometrías y el empleo de nuevos materiales. En general estas estructuras son esbeltas, ligeras y poco amortiguadas, lo que en ocasiones ha generado problemas de vi-braciones al paso de peatones una vez puestas en servicio. Las normativas actuales son cada vez más sensibles a esta problemática, recomendando diseños cuyas frecuencias naturales deben estar alejadas de los rangos de frecuencia de paso típicos de los peatones y fijando límites de confort en forma de valores máximos de aceleración permitidos, asegurándose así un correcto comportamiento de la estructura. En el presente artículo se analiza esta problemática desde un punto de vista práctico. Para ello se muestran los puntos clave de las normativas y guías de diseño de pasarelas que se pueden encontrar actualmente en la bibliografía, se presentan las técnicas que habitualmente se emplean en el análisis dinámico experimental de estas estructuras, y se comentan las soluciones a las que generalmente se recurre para mejorar su comportamiento dinámico. Por último, se muestran los trabajos llevados a cabo por el Centro Tecnológico CARTIF en colaboración con las Universidades de Valladolid y Castilla-La Mancha en la pasarela peatonal del Museo de la Ciencia de Valladolid. Estos trabajos incluyen: (1) el estudio dinámico de los tres vanos metálicos de dicha pasarela, (2) el diseño e implementación de un amortiguador de masa sintonizado en el vano más sensible a las vibraciones, (3) la implementación de un amortiguador de masa activo utilizando un excitador electrodinámico, y (4) el desarrollo de pruebas para la verificación del estado de servicio de la pasarela. In the last years, a wide number of footbridges have been built as demand response of more direct pathways in cities. These structures have lower building requirements as compared with standard bridges. This circumstance has facilitated the development of new structural design with complex geometries and innovative materials. As a result, these structures may be slender, light and low damped, leading to vibration problems once in service. The current codes take into account this problem, and recommend designs with natural frequencies away from the typical pedestrian pacing rates and fix comfort limits to guarantee the serviceability of the structure.This paper studies this problem from a practical point of view. Thus, the key points of codes and footbridges guidelines are showed, the typical experimental dynamic analysis techniques are presented, and the usual solutions adopted to improve the dynamic performance of these structures are discussed. Finally, the works carried out on the Valladolid Science Museum Footbridge by Centro Tecnológico CARTIF in collaboration with the Universities of Valladolid and Castilla-La Mancha are showed. These works include: (1) the dynamic study of the three steel spans of the footbridge, (2) the design and implementation of a tuned mass damper in the liveliest span, (3) the implementation of an active mass damper using an electrodynamic shaker, and (4) the development of field tests to assess the serviceability of such span.

A comparative study of SISO and MIMO control strategies for floor vibration damping

Civil engineering structures such as floor systems with open-plan layout or lightweight footbridges are susceptible to excessive level of vibrations caused by human loading. Active vibration control (AVC) via inertial mass actuators has been shown to be a viable technique to mitigate vibrations, allowing structures to satisfy vibration serviceability limits. Most of the AVC applications involve the use of SISO (single input single-output) strategies based on collocated control. However, in the case of floor structures, in which mostof the vibration modes are locally spatially distributed, SISO or multi-SISO strategies are quite inefficient. In this paper, a MIMO (multi-inputs multi-outputs) control in decentralised and centralised configuration is designed. The design process simultaneously finds the placement of multiple actuators and sensors and the output feedback gains. Additionally, actuator dynamics, actuator nonlinearities and frequency and time weightings are considered into the design process. Results with SISO and decentralised and centralised MIMO control (for a given number of actuators and sensors) are compared, showing the advantages of MIMO control for floor vibration control.

Uniform Distributed Pushdown Automata Systems.

We consider here uniform distributed pushdown automata systems (UDPAS), namely distributed pushdown automata systems having all components identical pushdown automata. We consider here just a single protocol for activating/deactivating components, namely a component stays active as long as it can perform moves, as well as two ways of accepting the input word: by empty stacks (all components have empty stacks) or by final states (all components are in final states), when the input word is completely read. We mainly investigate the computational power of UDPAS accepting by empty stacks and a few decidability and closure properties of the families of languages they define. Some directions for further work and open problems are also discussed.

Rapid prototyping framework for visual control of autonomous micro aerial vehicles

Rapid prototyping environments can speed up the research of visual control algorithms. We have designed and implemented a software framework for fast prototyping of visual control algorithms for Micro Aerial Vehicles (MAV). We have applied a combination of a proxy-based network communication architecture and a custom Application Programming Interface. This allows multiple experimental configurations, like drone swarms or distributed processing of a drone’s video stream. Currently, the framework supports a low-cost MAV: the Parrot AR.Drone. Real tests have been performed on this platform and the results show comparatively low figures of the extra communication delay introduced by the framework, while adding new functionalities and flexibility to the selected drone. This implementation is open-source and can be downloaded from www.vision4uav.com/?q=VC4MAV-FW

New control architecturebased on PXI for a 3-finger haptic device applied to virtual manipulation

To perform advanced manipulation of remote environments such as grasping, more than one finger is required implying higher requirements for the control architecture. This paper presents the design and control of a modular 3-finger haptic device that can be used to interact with virtual scenarios or to teleoperate dexterous remote hands. In a modular haptic device, each module allows the interaction with a scenario by using a single finger; hence, multi-finger interaction can be achieved by adding more modules. Control requirements for a multifinger haptic device are analyzed and new hardware/software architecture for these kinds of devices is proposed. The software architecture described in this paper is distributed and the different modules communicate to allow the remote manipulation. Moreover, an application in which this haptic device is used to interact with a virtual scenario is shown.

SLBN: A Scalable Max-min Fair Algorithm for Rate-Based Explicit Congestion Control

The growth of the Internet has increased the need for scalable congestion control mechanisms in high speed networks. In this context, we propose a rate-based explicit congestion control mechanism with which the sources are provided with the rate at which they can transmit. These rates are computed with a distributed max-min fair algorithm, SLBN. The novelty of SLBN is that it combines two interesting features not simultaneously present in existing proposals: scalability and fast convergence to the max-min fair rates, even under high session churn. SLBN is scalable because routers only maintain a constant amount of state information (only three integer variables per link) and only incur a constant amount of computation per protocol packet, independently of the number of sessions that cross the router. Additionally, SLBN does not require processing any data packet, and it converges independently of sessions' RTT. Finally, by design, the protocol is conservative when assigning rates, even in the presence of high churn, which helps preventing link overshoots in transient periods. We claim that, with all these features, our mechanism is a good candidate to be used in real deployments.

Two-wavelength switching with a distributed-feed back semiconductor optical amplifier (DFBSOA)

Switching of a signal beam by another control beam at different wavelength is demonstrated experimentally using the optical bistability occurring in a 1.55 mm-distributed feedback semiconductor optical amplifier (DFBSOA) working in reflection. Counterclockwise (S-shaped) and reverse (clockwise) bistability are observed in the output of the control and the signal beam respectively, as the power of the input control signal is increased. With this technique an optical signal can be set in either of the optical input wavelengths by appropriate choice of the powers of the input signals. The switching properties of the DFBSOA are studied experimentally as the applied bias current is increased from below to above threshold and for different levels of optical power in the signal beam and different wavelength detunings between both input signals. Higher on-off extinction ratios, wider bistable loops and lower input power requirements for switching are obtained when the DFBSOA is operated slightly above its threshold value.

Excitación y control de IGBTs de un inversor trifásico sinusoidal

El origen del proyecto se encuentra en la mejora de un inversor trifásico sinusoidal comercial sobre la base del estudio de las técnicas de excitación óptimas para los IGBTs que lo componen en su etapa de potencia. En las primeras fases de planteamiento del proyecto se propone una idea mucho más ambiciosa, la realización de un nuevo convertidor de emergencia, destinado al sector ferroviario, para dar servicio de climatización. Este convertidor está formado por la asociación en cascada de un bloque DC/DC elevador y un bloque inversor DC/AC trifásico controlado mediante PWM con modulación sinusoidal. Se pretendía así dar solución a las siguientes problemáticas detectadas en los convertidores comercializados hasta el momento: un bloque elevador excesivamente sobredimensionado, subsistemas de control independientes para los dos bloques que configuran el convertidor, adicionalmente, la tarjeta driver se rediseña con cada cambio de especificaciones por parte de un nuevo cliente y finalmente, las comunicaciones tanto de diagnosis como de mantenimiento necesitaban una importante actualización. Inicialmente, se ha realizado un estudio teórico de los bloques elevador e inversor para poder realizar el diseño y dimensionamiento de sus componentes tanto semiconductores como electromagnéticos. Una vez completada la parte de potencia, se estudia el control que se realiza mediante medidas directas y simulación tanto de la estrategia de control del elevador como del inversor. Así se obtiene una información completa de la funcionalidad de las tarjetas existentes. Se desea realizar el diseño de una única tarjeta controladora y una única tarjeta de drivers para ambos bloques. Por problemas ajenos, en el transcurso de este proyecto se cancela su realización comercial, con lo que se decide al menos crear la placa de control y poder gobernar un convertidor ya existente, sustituyendo la tarjeta de control del bloque elevador. Para poder fabricar la placa de control se divide en dos tarjetas que irán conectadas en modo sándwich. En una tarjeta está el microcontrolador y en otra está todo el interface necesario para operar con el sistema: entradas y salidas digitales, entradas y salidas analógicas, comunicación CAN, y un pequeño DC/DC comercial que proporciona alimentación al prototipo. Se realiza un pequeño programa funcional para poder manejar el convertidor, el cual con una tensión de 110V DC, proporciona a la salida una tensión de 380V AC. Como ya se ha expuesto, debido a la cancelación del proyecto industrial no se profundiza más en su mejora y se decide proponerlo para su evaluación en su fase actual. ABSTRACT. The beginning of the project is found in the improvement of a commercial sine wave three phase inverter which is based in a study about optimal excitation techniques to IGBTs which compose in the power stage. In the early phases of project it is proposed a much more ambitious idea, the fact of a new emergency converter, proposed for the rail sector to work in an air condition unit. This converter is formed by an association of a block cascaded DC/DC booster and a block DC/AC inverter three-phase controlled by a sine wave modulation PWM. The purposed was to give a solution to following problems detected in commercial converters nowadays: an excessively oversized block boost, independent control subsystems for two blocks that configure the converter. In addition, driver board is redesigned with each specifications change demand it a new customer, and finally, the communications, diagnostic and maintenance that needed a important upgrade. Initially, it has been performed a theoretical study of boost and the inverter blocks to be able to perform the component’s design and the size (semiconductor and electromagnetic fields). Once finished power study, it is analysed the control performed using direct measures and simulation of boost control strategy and inverter. With this it is obtained complete information about existing cards functionality. The project is looking for the design of just one controller card and one drivers´ card for both blocks. By unrelated problems, during the course of this project a commercial realization. So at least its decided to create control board to be able to existing converter, replacing boost block’s control board. To be able to manufacture control board it is divided in two cards connected in sandwiching mode. In a card is microcontroller and in another is all needed interface to operate with the system: digital inputs and outputs, analogical inputs and outputs, CAN communication, and a small DC / DC business that provide power supply to the prototype. It is performed a small functional program to handle the converter, which with an input voltage 110V DC provides an output voltage 380V AC. As already has been exposed, due to industrial project cancellation it is decided no to continue with all improvements and directly to evaluate it in the current phase.

Visual Tracking, Pose Estimation, and Control for Aerial Vehicles

El principal objetivo de esta tesis es dotar a los vehículos aéreos no tripulados (UAVs, por sus siglas en inglés) de una fuente de información adicional basada en visión. Esta fuente de información proviene de cámaras ubicadas a bordo de los vehículos o en el suelo. Con ella se busca que los UAVs realicen tareas de aterrizaje o inspección guiados por visión, especialmente en aquellas situaciones en las que no haya disponibilidad de estimar la posición del vehículo con base en GPS, cuando las estimaciones de GPS no tengan la suficiente precisión requerida por las tareas a realizar, o cuando restricciones de carga de pago impidan añadir sensores a bordo de los vehículos. Esta tesis trata con tres de las principales áreas de la visión por computador: seguimiento visual y estimación visual de la pose (posición y orientación), que a su vez constituyen la base de la tercera, denominada control servo visual, que en nuestra aplicación se enfoca en el empleo de información visual para controlar los UAVs. Al respecto, esta tesis se ocupa de presentar propuestas novedosas que permitan solucionar problemas relativos al seguimiento de objetos mediante cámaras ubicadas a bordo de los UAVs, se ocupa de la estimación de la pose de los UAVs basada en información visual obtenida por cámaras ubicadas en el suelo o a bordo, y también se ocupa de la aplicación de las técnicas propuestas para solucionar diferentes problemas, como aquellos concernientes al seguimiento visual para tareas de reabastecimiento autónomo en vuelo o al aterrizaje basado en visión, entre otros. Las diversas técnicas de visión por computador presentadas en esta tesis se proponen con el fin de solucionar dificultades que suelen presentarse cuando se realizan tareas basadas en visión con UAVs, como las relativas a la obtención, en tiempo real, de estimaciones robustas, o como problemas generados por vibraciones. Los algoritmos propuestos en esta tesis han sido probados con información de imágenes reales obtenidas realizando pruebas on-line y off-line. Diversos mecanismos de evaluación han sido empleados con el propósito de analizar el desempeño de los algoritmos propuestos, entre los que se incluyen datos simulados, imágenes de vuelos reales, estimaciones precisas de posición empleando el sistema VICON y comparaciones con algoritmos del estado del arte. Los resultados obtenidos indican que los algoritmos de visión por computador propuestos tienen un desempeño que es comparable e incluso mejor al de algoritmos que se encuentran en el estado del arte. Los algoritmos propuestos permiten la obtención de estimaciones robustas en tiempo real, lo cual permite su uso en tareas de control visual. El desempeño de estos algoritmos es apropiado para las exigencias de las distintas aplicaciones examinadas: reabastecimiento autónomo en vuelo, aterrizaje y estimación del estado del UAV. Abstract The main objective of this thesis is to provide Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with an additional vision-based source of information extracted by cameras located either on-board or on the ground, in order to allow UAVs to develop visually guided tasks, such as landing or inspection, especially in situations where GPS information is not available, where GPS-based position estimation is not accurate enough for the task to develop, or where payload restrictions do not allow the incorporation of additional sensors on-board. This thesis covers three of the main computer vision areas: visual tracking and visual pose estimation, which are the bases the third one called visual servoing, which, in this work, focuses on using visual information to control UAVs. In this sense, the thesis focuses on presenting novel solutions for solving the tracking problem of objects when using cameras on-board UAVs, on estimating the pose of the UAVs based on the visual information collected by cameras located either on the ground or on-board, and also focuses on applying these proposed techniques for solving different problems, such as visual tracking for aerial refuelling or vision-based landing, among others. The different computer vision techniques presented in this thesis are proposed to solve some of the frequently problems found when addressing vision-based tasks in UAVs, such as obtaining robust vision-based estimations at real-time frame rates, and problems caused by vibrations, or 3D motion. All the proposed algorithms have been tested with real-image data in on-line and off-line tests. Different evaluation mechanisms have been used to analyze the performance of the proposed algorithms, such as simulated data, images from real-flight tests, publicly available datasets, manually generated ground truth data, accurate position estimations using a VICON system and a robotic cell, and comparison with state of the art algorithms. Results show that the proposed computer vision algorithms obtain performances that are comparable to, or even better than, state of the art algorithms, obtaining robust estimations at real-time frame rates. This proves that the proposed techniques are fast enough for vision-based control tasks. Therefore, the performance of the proposed vision algorithms has shown to be of a standard appropriate to the different explored applications: aerial refuelling and landing, and state estimation. It is noteworthy that they have low computational overheads for vision systems.

A framework for building distributed social network websites

Las redes son la esencia de comunidades y sociedades humanas; constituyen el entramado en el que nos relacionamos y determinan cómo lo hacemos, cómo se disemina la información o incluso cómo las cosas se llevan a cabo. Pero el protagonismo de las redes va más allá del que adquiere en las redes sociales. Se encuentran en el seno de múltiples estructuras que conocemos, desde las interaciones entre las proteínas dentro de una célula hasta la interconexión de los routers de internet. Las redes sociales están presentes en internet desde sus principios, en el correo electrónico por tomar un ejemplo. Dentro de cada cliente de correo se manejan listas contactos que agregadas constituyen una red social. Sin embargo, ha sido con la aparición de los sitios web de redes sociales cuando este tipo de aplicaciones web han llegado a la conciencia general. Las redes sociales se han situado entre los sitios más populares y con más tráfico de la web. Páginas como Facebook o Twitter manejan cifras asombrosas en cuanto a número de usuarios activos, de tráfico o de tiempo invertido en el sitio. Pero las funcionalidades de red social no están restringidas a las redes sociales orientadas a contactos, aquellas enfocadas a construir tu lista de contactos e interactuar con ellos. Existen otros ejemplos de sitios que aprovechan las redes sociales para aumentar la actividad de los usuarios y su involucración alrededor de algún tipo de contenido. Estos ejemplos van desde una de las redes sociales más antiguas, Flickr, orientada al intercambio de fotografías, hasta Github, la red social de código libre más popular hoy en día. No es una casualidad que la popularidad de estos sitios web venga de la mano de sus funcionalidades de red social. El escenario es más rico aún, ya que los sitios de redes sociales interaccionan entre ellos, compartiendo y exportando listas de contactos, servicios de autenticación y proporcionando un valioso canal para publicitar la actividad de los usuarios en otros sitios web. Esta funcionalidad es reciente y aún les queda un paso hasta que las redes sociales superen su condición de bunkers y lleguen a un estado de verdadera interoperabilidad entre ellas, tal como funcionan hoy en día el correo electrónico o la mensajería instantánea. Este trabajo muestra una tecnología que permite construir sitios web con características de red social distribuída. En primer lugar, se presenta una tecnología para la construcción de un componente intermedio que permite proporcionar cualquier característica de gestión de contenidos al popular marco de desarrollo web modelo-vista-controlador (MVC) Ruby on Rails. Esta técnica constituye una herramienta para desarrolladores que les permita abstraerse de las complejidades de la gestión de contenidos y enfocarse en las particularidades de los propios contenidos. Esta técnica se usará también para proporcionar las características de red social. Se describe una nueva métrica de reusabilidad de código para demostrar la validez del componente intermedio en marcos MVC. En segundo lugar, se analizan las características de los sitios web de redes sociales más populares, con el objetivo de encontrar los patrones comunes que aparecen en ellos. Este análisis servirá como base para definir los requisitos que debe cumplir un marco para construir redes sociales. A continuación se propone una arquitectura de referencia que proporcione este tipo de características. Dicha arquitectura ha sido implementada en un componente, Social Stream, y probada en varias redes sociales, tanto orientadas a contactos como a contenido, en el contexto de una asociación vecinal tanto como en proyectos de investigación financiados por la UE. Ha sido la base de varios proyectos fin de carrera. Además, ha sido publicado como código libre, obteniendo una comunidad creciente y está siendo usado más allá del ámbito de este trabajo. Dicha arquitectura ha permitido la definición de un nuevo modelo de control de acceso social que supera varias limitaciones presentes en los modelos de control de acceso para redes sociales. Más aún, se han analizado casos de estudio de sitios de red social distribuídos, reuniendo un conjunto de caraterísticas que debe cumplir un marco para construir redes sociales distribuídas. Por último, se ha extendido la arquitectura del marco para dar cabida a las características de redes sociales distribuídas. Su implementación ha sido validada en proyectos de investigación financiados por la UE. Abstract Networks are the substance of human communities and societies; they constitute the structural framework on which we relate to each other and determine the way we do it, the way information is diseminated or even the way people get things done. But network prominence goes beyond the importance it acquires in social networks. Networks are found within numerous known structures, from protein interactions inside a cell to router connections on the internet. Social networks are present on the internet since its beginnings, in emails for example. Inside every email client, there are contact lists that added together constitute a social network. However, it has been with the emergence of social network sites (SNS) when these kinds of web applications have reached general awareness. SNS are now among the most popular sites in the web and with the higher traffic. Sites such as Facebook and Twitter hold astonishing figures of active users, traffic and time invested into the sites. Nevertheless, SNS functionalities are not restricted to contact-oriented social networks, those that are focused on building your own list of contacts and interacting with them. There are other examples of sites that leverage social networking to foster user activity and engagement around other types of content. Examples go from early SNS such as Flickr, the photography related networking site, to Github, the most popular social network repository nowadays. It is not an accident that the popularity of these websites comes hand-in-hand with their social network capabilities The scenario is even richer, due to the fact that SNS interact with each other, sharing and exporting contact lists and authentication as well as providing a valuable channel to publize user activity in other sites. These interactions are very recent and they are still finding their way to the point where SNS overcome their condition of data silos to a stage of full interoperability between sites, in the same way email and instant messaging networks work today. This work introduces a technology that allows to rapidly build any kind of distributed social network website. It first introduces a new technique to create middleware that can provide any kind of content management feature to a popular model-view-controller (MVC) web development framework, Ruby on Rails. It provides developers with tools that allow them to abstract from the complexities related with content management and focus on the development of specific content. This same technique is also used to provide the framework with social network features. Additionally, it describes a new metric of code reuse to assert the validity of the kind of middleware that is emerging in MVC frameworks. Secondly, the characteristics of top popular SNS are analysed in order to find the common patterns shown in them. This analysis is the ground for defining the requirements of a framework for building social network websites. Next, a reference architecture for supporting the features found in the analysis is proposed. This architecture has been implemented in a software component, called Social Stream, and tested in several social networks, both contact- and content-oriented, in local neighbourhood associations and EU-founded research projects. It has also been the ground for several Master’s theses. It has been released as a free and open source software that has obtained a growing community and that is now being used beyond the scope of this work. The social architecture has enabled the definition of a new social-based access control model that overcomes some of the limitations currenly present in access control models for social networks. Furthermore, paradigms and case studies in distributed SNS have been analysed, gathering a set of features for distributed social networking. Finally the architecture of the framework has been extended to support distributed SNS capabilities. Its implementation has also been validated in EU-founded research projects.