LTE as the future railway communication system: benefits and challenges

In this paper the main challenges associated with the migration process towards LTE, will be assessed. These challenges comprise, among others, the next key topics: Reliability, Availability Maintainability and Safety (RAMS) requirements, end to end Quality of Service (QoS) requirements, system performance in high speed scenarios, communication system deployment strategy, and system backward compatibility as well as the future system features for delivering railway services. The practical evaluation of the LTE system capabilities and performance in High Speed Railway (HSR) scenarios, require the development of an LTE demonstrator and an LTE system level simulator. Under this scope, the authors have developed an RF LTE demonstrator, as well as an LTE system level simulator, that will provide valuable information for the assessing of LTE performance and suitability in real HSR scenarios. This work is being developed under the framework of a research project to evaluate the feasibility of LTE to become the new railway communication system. The companies and universities involved in this project are: Technical University of Madrid (UPM), Alcatel Lucent Spain, ADIF (Spanish Railway Infrastructure Manager), Metro de Madrid, AT4 Wireless, the University of A Coruña (UDC) and University of Málaga (UMA).

Latent hardening size effect in small-scale plasticity

We aim at understanding the multislip behaviour of metals subject to irreversible deformations at small-scales. By focusing on the simple shear of a constrained single-crystal strip, we show that discrete Dislocation Dynamics (DD) simulations predict a strong latent hardening size effect, with smaller being stronger in the range [1.5 µm, 6 µm] for the strip height. We attempt to represent the DD pseudo-experimental results by developing a flow theory of Strain Gradient Crystal Plasticity (SGCP), involving both energetic and dissipative higher-order terms and, as a main novelty, a strain gradient extension of the conventional latent hardening. In order to discuss the capability of the SGCP theory proposed, we implement it into a Finite Element (FE) code and set its material parameters on the basis of the DD results. The SGCP FE code is specifically developed for the boundary value problem under study so that we can implement a fully implicit (Backward Euler) consistent algorithm. Special emphasis is placed on the discussion of the role of the material length scales involved in the SGCP model, from both the mechanical and numerical points of view.

Propuesta, implementación y evaluación de la biometría de firma en el aire como sistema de verificación en teléfonos móviles

En esta tesis doctoral se propone una técnica biométrica de verificación en teléfonos móviles consistente en realizar una firma en el aire con la mano que sujeta el teléfono móvil. Los acelerómetros integrados en el dispositivo muestrean las aceleraciones del movimiento de la firma en el aire, generando tres señales temporales que pueden utilizarse para la verificación del usuario. Se proponen varios enfoques para la implementación del sistema de verificación, a partir de los enfoques más utilizados en biometría de firma manuscrita: correspondencia de patrones, con variantes de los algoritmos de Needleman-Wusch (NW) y Dynamic Time Warping (DTW), modelos ocultos de Markov (HMM) y clasificador estadístico basado en Máquinas de Vector Soporte (SVM). Al no existir bases de datos públicas de firmas en el aire y con el fin de evaluar los métodos propuestos en esta tesis doctoral, se han capturado dos con distintas características; una con falsificaciones reales a partir del estudio de las grabaciones de usuarios auténticos y otra con muestras de usuarios obtenidas en diferentes sesiones a lo largo del tiempo. Utilizando estas bases de datos se han evaluado una gran cantidad de algoritmos para implementar un sistema de verificación basado en firma en el aire. Esta evaluación se ha realizado de acuerdo con el estándar ISO/IEC 19795, añadiendo el caso de verificación en mundo abierto no incluido en la norma. Además, se han analizado las características que hacen que una firma sea suficientemente segura. Por otro lado, se ha estudiado la permanencia de las firmas en el aire a lo largo del tiempo, proponiendo distintos métodos de actualización, basados en una adaptación dinámica del patrón, para mejorar su rendimiento. Finalmente, se ha implementado un prototipo de la técnica de firma en el aire para teléfonos Android e iOS. Los resultados de esta tesis doctoral han tenido un gran impacto, generando varias publicaciones en revistas internacionales, congresos y libros. La firma en el aire ha sido nombrada también en varias revistas de divulgación, portales de noticias Web y televisión. Además, se han obtenido varios premios en competiciones de ideas innovadoras y se ha firmado un acuerdo de explotación de la tecnología con una empresa extranjera. ABSTRACT This thesis proposes a biometric verification technique on mobile phones consisting on making a signature in the air with the hand holding a mobile phone. The accelerometers integrated in the device capture the movement accelerations, generating three temporal signals that can be used for verification. This thesis suggests several approaches for implementing the verification system, based on the most widely used approaches in handwritten signature biometrics: template matching, with a lot of variations of the Needleman- Wusch (NW) and Dynamic Time Warping (DTW) algorithms, Hidden Markov Models (HMM) and Supported Vector Machines (SVM). As there are no public databases of in-air signatures and with the aim of assessing the proposed methods, there have been captured two databases; one. with real falsification attempts from the study of recordings captured when genuine users made their signatures in front of a camera, and other, with samples obtained in different sessions over a long period of time. These databases have been used to evaluate a lot of algorithms in order to implement a verification system based on in-air signatures. This evaluation has been conducted according to the standard ISO/IEC 19795, adding the open-set verification scenario not included in the norm. In addition, the characteristics of a secure signature are also investigated, as well as the permanence of in-air signatures over time, proposing several updating strategies to improve its performance. Finally, a prototype of in-air signature has been developed for iOS and Android phones. The results of this thesis have achieved a high impact, publishing several articles in SCI journals, conferences and books. The in-air signature deployed in this thesis has been also referred in numerous media. Additionally, this technique has won several awards in the entrepreneurship field and also an exploitation agreement has been signed with a foreign company.

Simulación numérica de un problema de contaminación atmosférica

La ecuación en derivadas parciales de advección difusión con reacción química es la base de los modelos de dispersión de contaminantes en la atmósfera, y los diferentes métodos numéricos empleados para su resolución han sido objeto de amplios estudios a lo largo de su desarrollo. En esta Tesis se presenta la implementación de un nuevo método conservativo para la resolución de la parte advectiva de la ecuación en derivadas parciales que modela la dispersión de contaminantes dentro del modelo mesoescalar de transporte químico CHIMERE. Este método está basado en una técnica de volúmenes finitos junto con una interpolación racional. La ventaja de este método es la conservación exacta de la masa transportada debido al empleo de la ley de conservación de masas. Para ello emplea una formulación de flujo basado en el cálculo de la integral ponderada dentro de cada celda definida para la discretización del espacio en el método de volúmenes finitos. Los resultados numéricos obtenidos en las simulaciones realizadas (implementando el modelo conservativo para la advección en el modelo CHIMERE) se han comparado con los datos observados de concentración de contaminantes registrados en la red de estaciones de seguimiento y medición distribuidas por la Península Ibérica. Los datos estadísticos de medición del error, la media normalizada y la media absoluta normalizada del error, presentan valores que están dentro de los rangos propuestos por la EPA para considerar el modelo preciso. Además, se introduce un nuevo método para resolver la parte advectivadifusiva de la ecuación en derivadas parciales que modeliza la dispersión de contaminantes en la atmósfera. Se ha empleado un método de diferencias finitas de alto orden para resolver la parte difusiva de la ecuación de transporte de contaminantes junto con el método racional conservativo para la parte advectiva en una y dos dimensiones. Los resultados obtenidos de la aplicación del método a diferentes situaciones incluyendo casos académicos y reales han sido comparados con la solución analítica de la ecuación de advección-difusión, demostrando que el nuevo método proporciona un resultado preciso para aproximar la solución. Por último, se ha desarrollado un modelo completo que contempla los fenómenos advectivo y difusivo con reacción química, usando los métodos anteriores junto con una técnica de diferenciación regresiva (BDF2). Esta técnica consiste en un método implícito multipaso de diferenciación regresiva de segundo orden, que nos permite resolver los problemas rígidos típicos de la química atmosférica, modelizados a través de sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias. Este método hace uso de la técnica iterativa Gauss- Seidel para obtener la solución de la parte implícita de la fórmula BDF2. El empleo de la técnica de Gauss-Seidel en lugar de otras técnicas comúnmente empleadas, como la iteración por el método de Newton, nos proporciona rapidez de cálculo y bajo consumo de memoria, ideal para obtener modelos operativos para la resolución de la cinética química atmosférica. ABSTRACT Extensive research has been performed to solve the atmospheric chemicaladvection- diffusion equation and different numerical methods have been proposed. This Thesis presents the implementation of an exactly conservative method for the advection equation in the European scale Eulerian chemistry transport model CHIMERE based on a rational interpolation and a finite volume algorithm. The advantage of the method is that the cell-integrated average is predicted via a flux formulation, thus the mass is exactly conserved. Numerical results are compared with a set of observation registered at some monitoring sites in Spain. The mean normalized bias and the mean normalized absolute error present values that are inside the range to consider an accurate model performance. In addition, it has been introduced a new method to solve the advectiondiffusion equation. It is based on a high-order accurate finite difference method to solve de diffusion equation together with a rational interpolation and a finite volume to solve the advection equation in one dimension and two dimensions. Numerical results obtained from solving several problems include academic and real atmospheric problems have been compared with the analytical solution of the advection-diffusion equation, showing that the new method give an efficient algorithm for solving such problems. Finally, a complete model has been developed to solve the atmospheric chemical-advection-diffusion equation, adding the conservative method for the advection equation, the high-order finite difference method for the diffusion equation and a second-order backward differentiation formula (BDF2) to solve the atmospheric chemical kinetics. The BDF2 is an implicit, second order multistep backward differentiation formula used to solve the stiff systems of ordinary differential equations (ODEs) from atmospheric chemistry. The Gauss-Seidel iteration is used for approximately solving the implicitly defined BDF solution, giving a faster tool than the more commonly used iterative modified Newton technique. This method implies low start-up costs and a low memory demand due to the use of Gauss-Seidel iteration.

Speed-independent gait identification for mobile devices

Due to the intensive use of mobile phones for diferent purposes, these devices usually contain condential information which must not be accessed by another person apart from the owner of the device. Furthermore, the new generation phones commonly incorporate an accelerometer which may be used to capture the acceleration signals produced as a result of owner s gait. Nowadays, gait identication in basis of acceleration signals is being considered as a new biometric technique which allows blocking the device when another person is carrying it. Although distance based approaches as Euclidean distance or dynamic time warping have been applied to solve this identication problem, they show di±culties when dealing with gaits at diferent speeds. For this reason, in this paper, a method to extract an average template from instances of the gait at diferent velocities is presented. This method has been tested with the gait signals of 34 subjects while walking at diferent motion speeds (slow, normal and fast) and it has shown to improve the performance of Euclidean distance and classical dynamic time warping.

On the Use of Matrix-Free Shift-Invert Strategies For Global Flow Instability Analysis

A novel time-stepping shift-invert algorithm for linear stability analysis of laminar flows in complex geometries is presented. This method, based on a Krylov subspace iteration, enables the solution of complex non-symmetric eigenvalue problems in a matrix-free framework. Validations and comparisons to the classical exponential method have been performed in three different cases: (i) stenotic flow, (ii) backward-facing step and (iii) lid-driven swirling flow. Results show that this new approach speeds up the required Krylov subspace iterations and has the capability of converging to specific parts of the global spectrum. It is shown that, although the exponential method remains the method of choice if leading eigenvalues are sought, the performance of the present method could be dramatically improved with the use of a preconditioner. In addition, as opposed to other methods, this strategy can be directly applied to any time-stepper, regardless of the temporal or spatial discretization of the latter.

Comparison of micrometeorological techinques for estimating ammonia emission from covered slurry storage and land spreading of cattle slurry

The micrometeorological mass-balance integrated horizontal flux (IHF) technique has been commonly employed for measuring ammonia (NH3) emissions inon-field experiments. However, the inverse-dispersion modeling technique, such as the backward Lagrangian stochastic (bLS) modeling approach, is currently highlighted as offering flexibility in plot design and requiring a minimum number of samplers (Ro et al., 2013). The objective of this study was to make a comparison between the bLS technique with the IHF technique for estimating NH3 emission from flexible bag storage and following landspreading of dairy cattle slurry. Moreover, considering that NH3 emission in storage could have been non uniform, the effect on bLS estimates of a single point and multiple downwind concentration measurements was tested, as proposed by Sanz et al. (2010).

Methodology of quantifying curvature of Fresnel lenses and its effect on CPV module performance

Fresnel lenses used as primary optics in concentrating photovoltaic modules may show warping produced by lens manufacturing or module assembly (e.g., stress during molding or weight load) or due to stress during operation (e.g., mismatch of thermal expansion between different materials). To quantify this problem, a simple method called “checkerboard method” is presented. The proposed method identifies shape errors on the front surface of primary lenses by analyzing the Fresnel reflections. This paper also deals with the quantification of the effects these curvatures have on their optical performance and on the electrical performance of concentrating modules incorporating them. This method can be used to perform quality control of Fresnel lenses in scenarios of high volume production.

Parallel Computer Vision Algorithms for Graphics Processing Units

La evolución de los teléfonos móviles inteligentes, dotados de cámaras digitales, está provocando una creciente demanda de aplicaciones cada vez más complejas que necesitan algoritmos de visión artificial en tiempo real; puesto que el tamaño de las señales de vídeo no hace sino aumentar y en cambio el rendimiento de los procesadores de un solo núcleo se ha estancado, los nuevos algoritmos que se diseñen para visión artificial han de ser paralelos para poder ejecutarse en múltiples procesadores y ser computacionalmente escalables. Una de las clases de procesadores más interesantes en la actualidad se encuentra en las tarjetas gráficas (GPU), que son dispositivos que ofrecen un alto grado de paralelismo, un excelente rendimiento numérico y una creciente versatilidad, lo que los hace interesantes para llevar a cabo computación científica. En esta tesis se exploran dos aplicaciones de visión artificial que revisten una gran complejidad computacional y no pueden ser ejecutadas en tiempo real empleando procesadores tradicionales. En cambio, como se demuestra en esta tesis, la paralelización de las distintas subtareas y su implementación sobre una GPU arrojan los resultados deseados de ejecución con tasas de refresco interactivas. Asimismo, se propone una técnica para la evaluación rápida de funciones de complejidad arbitraria especialmente indicada para su uso en una GPU. En primer lugar se estudia la aplicación de técnicas de síntesis de imágenes virtuales a partir de únicamente dos cámaras lejanas y no paralelas—en contraste con la configuración habitual en TV 3D de cámaras cercanas y paralelas—con información de color y profundidad. Empleando filtros de mediana modificados para la elaboración de un mapa de profundidad virtual y proyecciones inversas, se comprueba que estas técnicas son adecuadas para una libre elección del punto de vista. Además, se demuestra que la codificación de la información de profundidad con respecto a un sistema de referencia global es sumamente perjudicial y debería ser evitada. Por otro lado se propone un sistema de detección de objetos móviles basado en técnicas de estimación de densidad con funciones locales. Este tipo de técnicas es muy adecuada para el modelado de escenas complejas con fondos multimodales, pero ha recibido poco uso debido a su gran complejidad computacional. El sistema propuesto, implementado en tiempo real sobre una GPU, incluye propuestas para la estimación dinámica de los anchos de banda de las funciones locales, actualización selectiva del modelo de fondo, actualización de la posición de las muestras de referencia del modelo de primer plano empleando un filtro de partículas multirregión y selección automática de regiones de interés para reducir el coste computacional. Los resultados, evaluados sobre diversas bases de datos y comparados con otros algoritmos del estado del arte, demuestran la gran versatilidad y calidad de la propuesta. Finalmente se propone un método para la aproximación de funciones arbitrarias empleando funciones continuas lineales a tramos, especialmente indicada para su implementación en una GPU mediante el uso de las unidades de filtraje de texturas, normalmente no utilizadas para cómputo numérico. La propuesta incluye un riguroso análisis matemático del error cometido en la aproximación en función del número de muestras empleadas, así como un método para la obtención de una partición cuasióptima del dominio de la función para minimizar el error. ABSTRACT The evolution of smartphones, all equipped with digital cameras, is driving a growing demand for ever more complex applications that need to rely on real-time computer vision algorithms. However, video signals are only increasing in size, whereas the performance of single-core processors has somewhat stagnated in the past few years. Consequently, new computer vision algorithms will need to be parallel to run on multiple processors and be computationally scalable. One of the most promising classes of processors nowadays can be found in graphics processing units (GPU). These are devices offering a high parallelism degree, excellent numerical performance and increasing versatility, which makes them interesting to run scientific computations. In this thesis, we explore two computer vision applications with a high computational complexity that precludes them from running in real time on traditional uniprocessors. However, we show that by parallelizing subtasks and implementing them on a GPU, both applications attain their goals of running at interactive frame rates. In addition, we propose a technique for fast evaluation of arbitrarily complex functions, specially designed for GPU implementation. First, we explore the application of depth-image–based rendering techniques to the unusual configuration of two convergent, wide baseline cameras, in contrast to the usual configuration used in 3D TV, which are narrow baseline, parallel cameras. By using a backward mapping approach with a depth inpainting scheme based on median filters, we show that these techniques are adequate for free viewpoint video applications. In addition, we show that referring depth information to a global reference system is ill-advised and should be avoided. Then, we propose a background subtraction system based on kernel density estimation techniques. These techniques are very adequate for modelling complex scenes featuring multimodal backgrounds, but have not been so popular due to their huge computational and memory complexity. The proposed system, implemented in real time on a GPU, features novel proposals for dynamic kernel bandwidth estimation for the background model, selective update of the background model, update of the position of reference samples of the foreground model using a multi-region particle filter, and automatic selection of regions of interest to reduce computational cost. The results, evaluated on several databases and compared to other state-of-the-art algorithms, demonstrate the high quality and versatility of our proposal. Finally, we propose a general method for the approximation of arbitrarily complex functions using continuous piecewise linear functions, specially formulated for GPU implementation by leveraging their texture filtering units, normally unused for numerical computation. Our proposal features a rigorous mathematical analysis of the approximation error in function of the number of samples, as well as a method to obtain a suboptimal partition of the domain of the function to minimize approximation error.