Teaching digital control of switch mode power supplier

This paper explains the methodology followed to teach the subject `Digital control of power converters'. This subject belongs to the research master on `Industrial Electronics' of the Universidad Politécnica de Madrid. The subject is composed of several theoretical lessons plus the development of an actual digital control. For that purpose an ad hoc dc-dc converter has been designed and built. The use of this board together with some software tools seems a very powerful way for the students to learn the concepts from the design to the real world

Ecotoxicology of pesticides on natural enemies of olive groves. Potential of ecdysone agonists for controlling Bactrocera oleae (Rossi) (Diptera: Tephritidae)

Pesticide applications are still one of the most common control methods against the main olive grove pests and diseases: the olive fruit fly, Bactrocera oleae (Rossi), the olive moth, Prays oleae (Bernard), the black scale, Saissetia oleae (Olivier), and the olive leaf spot, caused by the fungus Spilocaea oleagina Fries. However, and because the new pesticide legislation is aimed at an integrated pest and disease management, it is still important to evaluate and to know the ecotoxicology of pesticides on the natural enemies of the different agrosystems. A part of this work has been focusses on evaluating the direct and indirect effects of kaolin particle films and two copper-based products (Bordeaux mixture and copper oxychloride) through different laboratory, extended laboratory and semi-field experiments. Two natural enemies have been chosen: Psyttalia concolor (Szèpligeti), a parasitoid of the olive fruit fly, and Chilocorus nigritus (F.), predator of Diaspididae. This predator has been used instead of C. bipustulatus (L.), which is the species found in olive orchards. Kaolin mainly acts as a repellent of insects and/or as an oviposition deterrent. It is used in olive groves to control the olive fruit fly and the olive moth. Copper is applied against fungal and bacterial diseases. In olive groves it is used against the olive leaf spot and other diseases. No statistical differences were found in any of the experiments performed, compared to the controls, except when the oral toxicity of the products was evaluated on P. concolor females. In this case, kaolin and copper oxychloride caused a higher mortality 72 hours after the treatments, and both kaolin and the two copper formulations decreased females’ life span. Reproductive parameters were only negatively affected when kaolin was ingested. Apart from these experiments, due to the uncommon mode of action of kaolin, two extra experiments were carried out: a dual choice and a no-choice experiment. In this case, both P. concolor females and C. nigritus adults showed a clear preference for the untreated surfaces when they had the possibility of choosing between a treated surface and an untreated one. When there was no choice, no statistical differences were found between the treatments and the controls. Furthermore, the efficacy and the selectivity of three insect growth regulators (methoxyfenozide, tebufenozide and RH-5849) on B. oleae and P. concolor, respectively, have also been evaluated. In addition to laboratory experiments to evaluate the toxicity of the insecticides, also molecular approaches were used. RNA of both insects was isolated. cDNA was subsequently synthesized and the complete sequences of the ligand biding domain (LBD) of the ecdysone receptor of each insect were then determined. Afterwards the three dimensional structures of both LBDs were constructed. Finally, the docking of the insecticide molecules in the cavity delineated by the 12 α-helix that composed the LBD was performed. Both toxicity assays and molecular docking approaches showed that either methoxyfenozide or tebufenozide had no negative effects nor on B. oleae nor on P. concolor. In contrast, RH-5849 had no deleterious effect to the parasitoid but decreased olive fruit fly adults’ life span, especially when they were in contact with the fresh residue of the insecticide applied on a glass surface. The docking study of RH-5849 molecule has shown a very light hindrance with the wall of the LBD pocket. This means that this molecule could more or less adjust in the cavity. Thus, searching of new insecticides for controlling the olive fruit fly could be based on the basic lead structure of RH-5849 molecule.

Experiences on using closed-loop control systems for smoke control

The main objective of ventilation systems in case of fire is the reduction of the possible consequences by achieving the best possible conditions for the evacuation of the users and the intervention of the emergency services. In the last years, the required quick response of the ventilation system, from normal to emergency mode, has been improved by the use of automatic and semi-automatic control systems, what reduces the response times through the support to the operators decision taking, and the use of pre-defined strategies. A further step consists on the use of closedloop algorithms, which takes into account not only the initial conditions but their development (air velocity, traffic situation, etc), optimizing the quality of the smoke control process

Automatic Inference of Determinacy and Mutual Exclusion for Logic Programs Using Mode and Type Analyses

We propose an analysis for detecting procedures and goals that are deterministic (i.e., that produce at most one solution at most once),or predicates whose clause tests are mutually exclusive (which implies that at most one of their clauses will succeed) even if they are not deterministic. The analysis takes advantage of the pruning operator in order to improve the detection of mutual exclusion and determinacy. It also supports arithmetic equations and disequations, as well as equations and disequations on terms,for which we give a complete satisfiability testing algorithm, w.r.t. available type information. Information about determinacy can be used for program debugging and optimization, resource consumption and granularity control, abstraction carrying code, etc. We have implemented the analysis and integrated it in the CiaoPP system, which also infers automatically the mode and type information that our analysis takes as input. Experiments performed on this implementation show that the analysis is fairly accurate and efficient.

Determinacy analysis for logic programs using mode and type information

We propose an analysis for detecting procedures and goals that are deterministic (i.e. that produce at most one solution), or predicates whose clause tests are mutually exclusive (which implies that at most one of their clauses will succeed) even if they are not deterministic (because they cali other predicates that can produce more than one solution). Applications of such determinacy information include detecting programming errors, performing certain high-level program transformations for improving search efñciency, optimizing low level code generation and parallel execution, and estimating tighter upper bounds on the computational costs of goals and data sizes, which can be used for program debugging, resource consumption and granularity control, etc. We have implemented the analysis and integrated it in the CiaoPP system, which also infers automatically the mode and type information that our analysis takes as input. Experiments performed on this implementation show that the analysis is fairly accurate and efncient.

Spatio-temporal dynamics of viruses are differentially affected by parasitoids depending on the mode of transmission by their insect vectors.

Relationships between agents in multitrophic systems are complex and very specific. Insect-transmitted plant viruses are completely dependent on the behaviour and distribution patterns of their vectors. The presence of natural enemies may directly affect aphid behaviour and spread of plant viruses, as the escape response of aphids might cause a potential risk for virus dispersal. The spatio-temporal dynamics of Cucumber mosaic virus (CMV) and Cucurbit aphid-borne yellows virus (CABYV), transmitted by Aphis gossypii in a non-persistent and persistent manner, respectively, were evaluated at short and long term in the presence and absence of the aphid parasitoid, Aphidius colemani. SADIE methodology was used to study the distribution patterns of both the virus and its vector, and their degree of association. Results suggested that parasitoids promoted aphid dispersion at short term, which enhanced CMV spread, though consequences of parasitism suggest potential benefits for disease control at long term. Furthermore, A. colemani significantly limited the spread and incidence of the persistent virus CABYV at long term. The impact of aphid parasitoids on the dispersal of plant viruses with different transmission modes is discussed.

Management of Urban Mobility to Control Climate Change in Cities

The need of decarbonization of urban mobility is one of the main priorities for all countries to achieve greenhouse gas (GHG) emissions reduction targets. In general, the transport modes which have experienced the most growth in recent years tend to be the most polluting. Most efforts have been focused on the vehicle efficiency improvements and vehicle fleet renewal; nevertheless more emphasis should be placed on strategies related to the management of urban mobility and modal share. Research of individual travel which analyzes CO2 emissions and car and public transport share in daily mobility will enable better assessments of the potential of urban mobility measures introduced to limit GHG emissions produced by transport in cities. This paper explores the sustainability impacts of daily mobility in Spain using data from two National Travel Surveys (NTSs) (2000 and 2006) and includes a method by which to estimate the CO2 emissions associated with each journey and each surveyed individual. The results demonstrate that in the 2000 to 2006 period, there has been an increase in daily mobility which has led to a 17% increase in CO2 emissions. When separated by transport mode, cars prove to be the main contributor to that increase, followed by public transport. More focus should be directed toward modal shift strategies which not only take the number of journeys into account but also consider distance. The contributions of this paper have potential applications in the assessment of current and future urban transport policies.

Numerical Model of a Variable-Combined-Cycle Engine for Dual Subsonic and Supersonic Cruise

Efficient high speed propulsion requires exploiting the cooling capability of the cryogenic fuel in the propulsion cycle. This paper presents the numerical model of a combined cycle engine while in air turbo-rocket configuration. Specific models of the various heat exchanger modules and the turbomachinery elements were developed to represent the physical behavior at off-design operation. The dynamic nature of the model allows the introduction of the engine control logic that limits the operation of certain subcomponents and extends the overall engine operational envelope. The specific impulse and uninstalled thrust are detailed while flying a determined trajectory between Mach 2.5 and 5 for varying throttling levels throughout the operational envelope.

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.

Compatibilidad de Orius laevigatus (Fieber) (Hemiptera: Anthocoridae) y Nesidiocoris tenuis (Reuter)(Hemiptera: Miridae), depredadores importantes en cultivos hortícolas protegidos, con nuevas barreras físicas selectivas y modernos plaguicidas

La nueva legislación en materia fitosanitaria se dirige hacia una Gestión Integrada de Plagas (GIP). Estos programas dan preferencia a aquellos métodos más respetuosos y sostenibles con el medio ambiente, siendo piezas claves en ellos el control biológico, el físico y otros de carácter no químico. Sin embargo, el uso de insecticidas selectivos es a veces necesario para el adecuado manejo de plagas en cultivos hortícolas. Por ello, el objetivo general de este estudio es aportar conocimientos para mejorar el control de plagas en cultivos hortícolas, mediante la integración de tres estrategias de lucha: biológica, física y química. Una parte de este trabajo ha consistido en el estudio de los posibles efectos que mallas tratadas con insecticida (bifentrin) pudieran provocar mediante diferentes ensayos de laboratorio, invernadero y campo, en los enemigos naturales Orius laevigatus (Fieber) (Hemiptera: Anthocoridae) (depredador de trips), Nesidiocoris tenuis (Reuter) (Hemiptera: Miridae) (depredador de mosca blanca y Tuta absoluta (Meirick) (Lepidoptera: Gelechiidae)), y otros agentes de biocontrol comúnmente usados en cultivos hortícolas protegidos. Este tipo de mallas se han empleado con éxito en entomología médica para controlar mosquitos vectores de la malaria, y actualmente se está trabajando en su desarrollo para uso agrícola como método de exclusión, y método directo de control de plagas. En los ensayos realizados en laboratorio, O. laevigatus y N. tenuis no fueron capaces de detectar la presencia de bifentrin en el ensayo de preferencia. Además, no se produjo mortalidad a corto plazo (72 horas) en ambos chinches depredadores. Por el contrario, se registró una elevada mortalidad cuando se expusieron por contacto a la malla tratada durante 72 horas en cajas de dimensiones reducidas (10 cm de diámetro X 3 cm de altura). En ensayos llevados a cabo bajo condiciones más reales de exposición, en un invernadero experimental con jaulas de 25 X 25 X 60 cm de altura, no se produjo ningún efecto en la mortalidad a corto plazo (72 horas) o en los parámetros reproductivos de O. laevigatus y N. tenuis. Finalmente, en ensayos de campo realizados en túneles semi-comerciales (8 m de largo X 6,5 m de ancho X 2,6 m de altura), ni las condiciones ambientales [temperatura, humedad relativa, radiación ultravioleta (UV) y fotosintéticamente activa (PAR)], ni los enemigos naturales, se vieron afectados por la presencia de la malla tratada con bifentrin en el cultivo. Sin embargo, los resultados no fueron concluyentes, debido al bajo establecimiento de los agentes de biocontrol liberados. Por lo tanto, más estudios son necesarios en invernaderos comerciales para confirmar los resultados preliminares de compatibilidad. Además, en este trabajo se han evaluado los efectos letales (mortalidad) y subletales (parámetros reproductivos) de seis modernos insecticidas sobre los chinches depredadores O. laevigatus y N. tenuis, mediante ensayos de laboratorio y persistencia. Los ensayos se realizaron por contacto residual, aplicando los insecticidas a la dosis máxima de campo sobre placas de cristal (laboratorio) o plantas (persistencia). Los productos fitosanitarios se seleccionaron por representar a un grupo de modernos plaguicidas con modos de acción en principio más selectivos para los enemigos naturales que antiguos plaguicidas como organoclorados, oroganofosforados o carbamatos, y por su uso frecuente en cultivos hortícolas donde O. laevigatus y N. tenuis están presentes. Todos ellos están incluidos o en proceso de inclusión en la lista comunitaria de sustancias activas para uso agrícola, Anexo I de la Directiva 91/414/CEE: abamectina y emamectina (avermectinas neurotóxicas, activadoras del canal del cloro), deltametrina (piretroide neurotóxico, modulador del canal del sodio, control positivo), flubendiamida (neurotóxico, modulador del receptor de rianodina), spinosad (naturalito neurotóxico, agonistas/antagonistas del receptor de nicotínico acetilcolina) y spiromesifen (inhibidor de la acetil CoA carboxilasa). El estudio mostró que O. laevigatus fue más susceptible a los insecticidas que N. tenuis. Además, los resultados revelaron que flubendiamida y spiromesifen fueron compatibles con los dos enemigos naturales estudiados, y por tanto se podrían usar en programas de GIP. Por el contrario, los insecticidas abamectina, deltametrina, emamectina y spinosad no fueron selectivos para ninguno de los chinches depredadores. Sin embargo, los estudios de persistencia demostraron que a pesar de que estos insecticidas no proporcionaron selectividad fisiológica, pueden proporcionar selectividad ecológica en algunos casos. Abamectina, deltametrina, emamectina y spinosad podrían ser compatibles con N. tenuis si el enemigo natural es introducido en el cultivo 4 días después de su aplicación. En el caso de O. laevigatus, abamectina, deltametrina y spinosad se clasificaron como persistentes, por lo tanto es necesario completar el estudio con experimentos de semi-campo y campo que determinen si es posible su uso conjunto en programas de GIP. Por otro lado, emamectina podría ser compatible con O. laevigatus si el enemigo natural es introducido en el cultivo 7 días después de su aplicación. Por último, se ha comprobado la selectividad de tres insecticidas aceleradores de la muda (MACs) (metoxifenocida, tebufenocida y RH-5849) sobre O. laevigatus y N. tenuis. Además de realizar estudios para evaluar la toxicidad en laboratorio de los insecticidas por contacto residual e ingestión (principal modo de acción de los MAC´s), se extrajo RNA de los insectos y con el cDNA obtenido se secuenció y clonó el dominio de unión al ligando (LBD) del receptor de ecdisona correspondiente a O. laevigatus (OlEcR-LBD) y N. tenuis (NtEcR-LBD). Posteriormente, se obtuvo la configuración en tres dimensiones del LBD y se estudió el acoplamiento de las moléculas de los tres insecticidas en la cavidad que forman las 12 α-hélices que constituyen el EcR-LBD. En el caso de N. tenuis se debe mencionar que no fue posible la obtención de la secuencia completa del LBD. Sin embargo, se obtuvo una secuencia parcial (hélice 6-hélice 11), que mostró una alta conservación de aminoácidos con respecto a la obtenida en O. laevigatus. Los ensayos de toxicidad mostraron que metoxifenocida, tebufenocida y RH-5849 no produjeron ningún efecto nocivo en ambos depredadores. Además, los estudios de modelado por homología y acoplamiento molecular llevados a cabo con O. laevigatus, también indicaron que los MACs no produjeron ningún efecto deletéreo en este enemigo natural. Por lo tanto, estos compuestos pueden ser aplicados de manera segura en programas de GIP en los cuales O. laevigatus y N. tenuis estén presentes. ABSTRACT The new pesticide legislation on pest control is aimed at integrated pest management (IPM). These programs are based on the most environmentally sustainable approaches, where biological, physical control and other non-chemical methods are the cornerstone. However, selective pesticides are often required for pest management on horticultural crops. Therefore, the main goal of this study is to provide knowledge to improve pest control on horticultural crops through the integration of three strategies: biological, physical and chemical. Firstly, the effects of insecticide treated nets (bifenthrin) were evaluated in different laboratory, greenhouse and field experiments on the natural enemies Orius laevigatus (Fieber) (Hemiptera: Anthocoridae) (predator of thrips), Nesidiocoris tenuis (Reuter) (Hemiptera: Miridae) (predator of whiteflies and Tuta absoluta (Meirick) (Lepidoptera: Gelechiidae)), and other biocontrol agents commonly used on protected horticultural crops. These types of nets have been successfully used in medical entomology to control mosquito malaria vectors, and work is currently being done on their use as exclusion barriers and as a direct method of pest control in agriculture. In experiments made under laboratory conditions, O. laevigatus and N. tenuis were not able to detect the presence of bifenthrin in a dual-choice test. Furthermore, no shortterm mortality (72 hours) was recorded on both predatory bugs. In contrast, a high mortality rate was found when they were exposed by contact to the bifenthrin-treated net for 72 hours in small cages (10 cm diameter X 3 cm high). In assays carried out under more realistic conditions of exposure, in an experimental greenhouse with cages of 25 X 25 X 60 cm high, short-term mortality (72 hours) and reproductive parameters were not affected. Lastly, in field experiments carried out in semi-commercial tunnels (8 m long X 6.5 m width X 2.6 m high), neither environmental conditions [temperature, relative humidity, ultraviolet (UV) and photosynthetically active radiation (PAR)] nor natural enemies were affected by the presence of the bifenthrin-treated net on the crop. However, results were not conclusive, mainly due to a low settlement of the released biocontrol agents, and further studies are needed in commercial greenhouses to confirm our preliminary results of compatibility. Secondly, the lethal (mortality) and sublethal effects (reproductive parameters) of six modern pesticides on the predatory bugs O. laevigatus and N. tenuis has been evaluated through laboratory and persistence experiments. Trials were carried out by residual contact, applying the insecticides to the maximum field recommended concentration on glass plates (laboratory) or plants (persistence). Insecticides were chosen as representatives of modern pesticides with a more selective mode of action on natural enemies than organochlorine, organophosphorus and carbamate insecticides. Moreover, they were also chosen because of their frequent use on horticultural crops where O. laevigatus and N. tenuis are present. All of them have been included or have been requested for inclusion in the community list of active substances on the agricultural market, Annex I of the European Directive 91/414/EEC: abamectin and emamectin (neurotoxic avermectins, chloride channel activators), deltamethrin (neutotoxic pyrethroid, sodium channel modulator, positive commercial standard), flubendiamide (neurotoxic, rianodine receptor modulator), spinosad (neurotoxic naturalyte, nicotinic acetylcholine receptor allosteric activator) and spiromesifen (inhibitors of acetyl CoA carboxylase). The study showed that O. laevigatus was more susceptible to all the studied pesticides than N. tenuis. In addition, the research results indicated no impact of flubendiamide and spiromesifen on the two natural enemies studied under laboratory conditions. Consequently, both pesticides are candidates to be included in IPM programmes where these biocontrol agents are present. On the other hand, abamectin, deltamethrin, emamectin and spinosad were not selective for both predatory bugs in laboratory experiments. However, persistence test demonstrated that in spite of the lack of physiological selectivity, these pesticides can provide ecological selectivity in some cases. Abamectin, deltamethrin, emamectin and spinosad could be compatible with N. tenuis if the mirid bug is released 4 days after the insecticide treatment on the crop. With regard to O. laevigatus, abamectin, deltamethrin and spinosad were classified as persistent in our assays, thus the study should be completed with semi-field and field experiments in order to ascertain their possible joint use in IPM programs. In contrast, emamectin could be compatible with O. laevigatus if the pirate bug is released 7 days after the insecticide treatment on the crop. Finally, the selectivity of three moulting accelerating compounds (MACs) (methoxyfenozide, tebufenozide and RH-5849) has also been evaluated on O. laevigatus and N. tenuis. In addition to laboratory experiments to evaluate the toxicity of the insecticides by residual contact and ingestion, molecular approaches were used as well. RNA of both insects was isolated, cDNA was subsequently synthesized and the complete sequence of the ligand binding domain (LBD) of the ecdysone receptor of O. laevigatus (OlEcR-LBD) and N. tenuis (NtEcR-LBD) were determined. Afterwards, the three dimensional structure of LBD was constructed. Finally, the docking of the insecticide molecules in the cavity delineated by the 12 α-helix that composed the EcRLBD was performed. In the case of N. tenuis, it should be noted that in spite of intensive efforts, we did not manage to complete the sequence for the LBD.However, a partial sequence of the LBD was obtained (helix 6-helix 11), and a strong conservation between the amino acids of N. tenuis and O. laevigatus was observed. Results showed no biological activity of methoxyfenozide, tebufenozide and RH-5849, on both predatory bugs. Moreover, modeling of the OlEcR-LBD and docking experiments also suggested that MACs were devoid of any deleterious effect on O. laevigatus. Therefore, our results indicate that these compounds could be safely applied in IPM programs in which O. laevigatus and N. tenuis are present.

Arquitectura cognitiva híbrida para la navegación autónoma de UAVs mediante mapas topológicos visuales

El objetivo fundamental de la presente tesis doctoral es el diseño de una arquitectura cognitiva, que pueda ser empleada para la navegación autónoma de vehículos aéreos no tripulados conocidos como UAV (Unmanned Aerial Vehicle). Dicha arquitectura cognitiva se apoya en la definición de una librería de comportamientos, que aportarán la inteligencia necesaria al UAV para alcanzar los objetivos establecidos, en base a la información sensorial recopilada del entorno de operación. La navegación autónoma del UAV se apoyará en la utilización de un mapa topológico visual, consistente en la definición de un grafo que engloba mediante nodos los diferentes landmarks ubicados en el entorno, y que le servirán al UAV de guía para alcanzar su objetivo. Los arcos establecidos entre los nodos del mapa topológico, le proporcionarán de la información necesaria para establecer el rumbo más adecuado para alcanzar el siguiente landmark a visitar, siguiendo siempre una secuencia lógica de navegación, basada en la distancia entre un determinado landmark con respecto al objetivo final ó landmark destino. La arquitectura define un mecanismo híbrido de control, el cual puede conmutar entre dos diferentes modos de navegación. El primero es el denominado como Search Mode, el cual se activará cuando el UAV se encuentre en un estado desconocido dentro del entorno, para lo cual hará uso de cálculos basado en la entropía para la búsqueda de posibles landmarks. Se empleará como estrategia novedosa la idea de que la entropía de una imagen tiene una correlación directa con respecto a la probabilidad de que dicha imagen contenga uno ó varios landmarks. De esta forma, la estrategia para la búsqueda de nuevos landmarks en el entorno, se basará en un proceso continuo de maximización de la entropía. Si por el contrario el UAV identifica la existencia de un posible landmark entre los definidos en su mapa topológico, se considerará que está sobre un estado conocido, por lo que se conmutará al segundo modo de navegación denominado como Homing Mode, el cual se encargará de calcular señales de control para la aproximación del UAV al landmark localizado. Éste último modo implementa un control dual basado en dos tipos de controladores (FeedForward/FeedBack) que mediante su combinación, aportarán al UAV señales de control cada vez más óptimas, además de llevar a cabo un entrenamiento continuo y en tiempo real. Para cumplir con los requisitos de ejecución y aprendizaje en tiempo real de la arquitectura, se han tomado como principales referencias dos paradigmas empleados en diferentes estudios dentro del área de la robótica, como son el paradigma de robots de desarrollo (developmental robots) basado en un aprendizaje del robot en tiempo real y de forma adaptativa con su entorno, así como del paradigma de modelos internos (internal models) basado en los resultados obtenidos a partir de estudios neurocientíficos del cerebelo humano; dicho modelo interno sirve de base para la construcción del control dual de la arquitectura. Se presentarán los detalles de diseño e implementación de los diferentes módulos que componen la arquitectura cognitiva híbrida, y posteriormente, los diferentes resultados obtenidos a partir de las pruebas experimentales ejecutadas, empleando como UAV la plataforma robótica aérea de AR.Drone. Como resultado final se ha obtenido una validación completa de la arquitectura cognitiva híbrida objetivo de la tesis, cumplimento con la totalidad de requisitos especificados y garantizando su viabilidad como aplicación operativa en el mundo real. Finalmente, se muestran las distintas conclusiones a las cuales se ha llegado a partir de los resultados experimentales, y se presentan las diferentes líneas de investigación futuras que podrán ser ejecutadas.

Management of urban mobility to control climate change in cities in Spain

The need to decarbonize urban mobility is one of the main motivations for all countries to achieve reduction targets for greenhouse gas (GHG) emissions. In general, the transport modes that have experienced the most growth in recent years tend to be the most polluting. Most efforts have focused on improvements in vehicle efficiency and on the renewal of vehicle fleets; more emphasis should be placed on strategies related to the management of urban mobility and modal share. Research of individual travel that analyzes carbon dioxide (CO2) emissions and car and public transport share in daily mobility will enable better assessments of the potential of urban mobility measures introduced to limit GHG emissions produced by transport in cities. The climate change impacts of daily mobility in Spain are explored with data from two national travel surveys in 2000 and 2006, and a method for estimating the CO2 emissions associated with each journey and each surveyed individual is provided. The results demonstrate that from 2000 to 2006, daily mobility has increased and has led to a 17% increase in CO2 emissions. When these results are separated by transport mode, cars prove to be the main contributor to that increase, followed by public transport. More focus should be directed toward modal shift strategies, which take into account not only the number of journeys but also the distance traveled. These contributions have potential applications in the assessment of current and future urban transport policies related to low-carbon urban transportation.

Massively parallelizable list-mode reconstruction using a Monte Carlo-based elliptical Gaussian model

Purpose: A fully three-dimensional (3D) massively parallelizable list-mode ordered-subsets expectation-maximization (LM-OSEM) reconstruction algorithm has been developed for high-resolution PET cameras. System response probabilities are calculated online from a set of parameters derived from Monte Carlo simulations. The shape of a system response for a given line of response (LOR) has been shown to be asymmetrical around the LOR. This work has been focused on the development of efficient region-search techniques to sample the system response probabilities, which are suitable for asymmetric kernel models, including elliptical Gaussian models that allow for high accuracy and high parallelization efficiency. The novel region-search scheme using variable kernel models is applied in the proposed PET reconstruction algorithm. Methods: A novel region-search technique has been used to sample the probability density function in correspondence with a small dynamic subset of the field of view that constitutes the region of response (ROR). The ROR is identified around the LOR by searching for any voxel within a dynamically calculated contour. The contour condition is currently defined as a fixed threshold over the posterior probability, and arbitrary kernel models can be applied using a numerical approach. The processing of the LORs is distributed in batches among the available computing devices, then, individual LORs are processed within different processing units. In this way, both multicore and multiple many-core processing units can be efficiently exploited. Tests have been conducted with probability models that take into account the noncolinearity, positron range, and crystal penetration effects, that produced tubes of response with varying elliptical sections whose axes were a function of the crystal's thickness and angle of incidence of the given LOR. The algorithm treats the probability model as a 3D scalar field defined within a reference system aligned with the ideal LOR. Results: This new technique provides superior image quality in terms of signal-to-noise ratio as compared with the histogram-mode method based on precomputed system matrices available for a commercial small animal scanner. Reconstruction times can be kept low with the use of multicore, many-core architectures, including multiple graphic processing units. Conclusions: A highly parallelizable LM reconstruction method has been proposed based on Monte Carlo simulations and new parallelization techniques aimed at improving the reconstruction speed and the image signal-to-noise of a given OSEM algorithm. The method has been validated using simulated and real phantoms. A special advantage of the new method is the possibility of defining dynamically the cut-off threshold over the calculated probabilities thus allowing for a direct control on the trade-off between speed and quality during the reconstruction.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

Sophisticated security verification on routing repaired balanced cell-based dual-rail logic against side channel analysis

Conventional dual-rail precharge logic suffers from difficult implementations of dual-rail structure for obtaining strict compensation between the counterpart rails. As a light-weight and high-speed dual-rail style, balanced cell-based dual-rail logic (BCDL) uses synchronised compound gates with global precharge signal to provide high resistance against differential power or electromagnetic analyses. BCDL can be realised from generic field programmable gate array (FPGA) design flows with constraints. However, routings still exist as concerns because of the deficient flexibility on routing control, which unfavourably results in bias between complementary nets in security-sensitive parts. In this article, based on a routing repair technique, novel verifications towards routing effect are presented. An 8 bit simplified advanced encryption processing (AES)-co-processor is executed that is constructed on block random access memory (RAM)-based BCDL in Xilinx Virtex-5 FPGAs. Since imbalanced routing are major defects in BCDL, the authors can rule out other influences and fairly quantify the security variants. A series of asymptotic correlation electromagnetic (EM) analyses are launched towards a group of circuits with consecutive routing schemes to be able to verify routing impact on side channel analyses. After repairing the non-identical routings, Mutual information analyses are executed to further validate the concrete security increase obtained from identical routing pairs in BCDL.