Contribution to proactivity in mobile context-aware recommender systems

Los sistemas de recomendación son potentes herramientas de filtrado de información que permiten a usuarios solicitar sugerencias sobre ítems que cubran sus necesidades. Tradicionalmente estas recomendaciones han estado basadas en opiniones de los mismos, así como en datos obtenidos de su consumo histórico o comportamiento en el propio sistema. Sin embargo, debido a la gran penetración y uso de los dispositivos móviles en nuestra sociedad, han surgido nuevas oportunidades en el campo de los sistemas de recomendación móviles gracias a la información contextual que se puede obtener sobre la localización o actividad de los usuarios. Debido a este estilo de vida en el que todo tiende a la movilidad y donde los usuarios están plenamente interconectados, la información contextual no sólo es física, sino que también adquiere una dimensión social. Todo esto ha dado lugar a una nueva área de investigación relacionada con los Sistemas de Recomendación Basados en Contexto (CARS) móviles donde se busca incrementar el nivel de personalización de las recomendaciones al usar dicha información. Por otro lado, este nuevo escenario en el que los usuarios llevan en todo momento un terminal móvil consigo abre la puerta a nuevas formas de recomendar. Sustituir el tradicional patrón de uso basado en petición-respuesta para evolucionar hacia un sistema proactivo es ahora posible. Estos sistemas deben identificar el momento más adecuado para generar una recomendación sin una petición explícita del usuario, siendo para ello necesario analizar su contexto. Esta tesis doctoral propone un conjunto de modelos, algoritmos y métodos orientados a incorporar proactividad en CARS móviles, a la vez que se estudia el impacto que este tipo de recomendaciones tienen en la experiencia de usuario con el fin de extraer importantes conclusiones sobre "qué", "cuándo" y "cómo" se debe notificar proactivamente. Con este propósito, se comienza planteando una arquitectura general para construir CARS móviles en escenarios sociales. Adicionalmente, se propone una nueva forma de representar el proceso de recomendación a través de una interfaz REST, lo que permite crear una arquitectura independiente de dispositivo y plataforma. Los detalles de su implementación tras su puesta en marcha en el entorno bancario español permiten asimismo validar el sistema construido. Tras esto se presenta un novedoso modelo para incorporar proactividad en CARS móviles. Éste muestra las ideas principales que permiten analizar una situación para decidir cuándo es apropiada una recomendación proactiva. Para ello se presentan algoritmos que establecen relaciones entre lo propicia que es una situación y cómo esto influye en los elementos a recomendar. Asimismo, para demostrar la viabilidad de este modelo se describe su aplicación a un escenario de recomendación para herramientas de creación de contenidos educativos. Siguiendo el modelo anterior, se presenta el diseño e implementación de nuevos interfaces móviles de usuario para recomendaciones proactivas, así como los resultados de su evaluación entre usuarios, lo que aportó importantes conclusiones para identificar cuáles son los factores más relevantes a considerar en el diseño de sistemas proactivos. A raíz de los resultados anteriores, el último punto de esta tesis presenta una metodología para calcular cuán apropiada es una situación de cara a recomendar de manera proactiva siguiendo el modelo propuesto. Como conclusión, se describe la validación llevada a cabo tras la aplicación de la arquitectura, modelo de recomendación y métodos descritos en este trabajo en una red social de aprendizaje europea. Finalmente, esta tesis discute las conclusiones obtenidas a lo largo de la extensa investigación llevada a cabo, y que ha propiciado la consecución de una buena base teórica y práctica para la creación de sistemas de recomendación móviles proactivos basados en información contextual. ABSTRACT Recommender systems are powerful information filtering tools which offer users personalized suggestions about items whose aim is to satisfy their needs. Traditionally the information used to make recommendations has been based on users’ ratings or data on the item’s consumption history and transactions carried out in the system. However, due to the remarkable growth in mobile devices in our society, new opportunities have arisen to improve these systems by implementing them in ubiquitous environments which provide rich context-awareness information on their location or current activity. Because of this current all-mobile lifestyle, users are socially connected permanently, which allows their context to be enhanced not only with physical information, but also with a social dimension. As a result of these novel contextual data sources, the advent of mobile Context-Aware Recommender Systems (CARS) as a research area has appeared to improve the level of personalization in recommendation. On the other hand, this new scenario in which users have their mobile devices with them all the time offers the possibility of looking into new ways of making recommendations. Evolving the traditional user request-response pattern to a proactive approach is now possible as a result of this rich contextual scenario. Thus, the key idea is that recommendations are made to the user when the current situation is appropriate, attending to the available contextual information without an explicit user request being necessary. This dissertation proposes a set of models, algorithms and methods to incorporate proactivity into mobile CARS, while the impact of proactivity is studied in terms of user experience to extract significant outcomes as to "what", "when" and "how" proactive recommendations have to be notified to users. To this end, the development of this dissertation starts from the proposal of a general architecture for building mobile CARS in scenarios with rich social data along with a new way of managing a recommendation process through a REST interface to make this architecture multi-device and cross-platform compatible. Details as regards its implementation and evaluation in a Spanish banking scenario are provided to validate its usefulness and user acceptance. After that, a novel model is presented for proactivity in mobile CARS which shows the key ideas related to decide when a situation warrants a proactive recommendation by establishing algorithms that represent the relationship between the appropriateness of a situation and the suitability of the candidate items to be recommended. A validation of these ideas in the area of e-learning authoring tools is also presented. Following the previous model, this dissertation presents the design and implementation of new mobile user interfaces for proactive notifications. The results of an evaluation among users testing these novel interfaces is also shown to study the impact of proactivity in the user experience of mobile CARS, while significant factors associated to proactivity are also identified. The last stage of this dissertation merges the previous outcomes to design a new methodology to calculate the appropriateness of a situation so as to incorporate proactivity into mobile CARS. Additionally, this work provides details about its validation in a European e-learning social network in which the whole architecture and proactive recommendation model together with its methods have been implemented. Finally, this dissertation opens up a discussion about the conclusions obtained throughout this research, resulting in useful information from the different design and implementation stages of proactive mobile CARS.

A method for revealing phase space structures of general time dependent dynamical systems

In this paper we develop new techniques for revealing geometrical structures in phase space that are valid for aperiodically time dependent dynamical systems, which we refer to as Lagrangian descriptors. These quantities are based on the integration, for a finite time, along trajectories of an intrinsic bounded, positive geometrical and/or physical property of the trajectory itself. We discuss a general methodology for constructing Lagrangian descriptors, and we discuss a “heuristic argument” that explains why this method is successful for revealing geometrical structures in the phase space of a dynamical system. We support this argument by explicit calculations on a benchmark problem having a hyperbolic fixed point with stable and unstable manifolds that are known analytically. Several other benchmark examples are considered that allow us the assess the performance of Lagrangian descriptors in revealing invariant tori and regions of shear. Throughout the paper “side-by-side” comparisons of the performance of Lagrangian descriptors with both finite time Lyapunov exponents (FTLEs) and finite time averages of certain components of the vector field (“time averages”) are carried out and discussed. In all cases Lagrangian descriptors are shown to be both more accurate and computationally efficient than these methods. We also perform computations for an explicitly three dimensional, aperiodically time-dependent vector field and an aperiodically time dependent vector field defined as a data set. Comparisons with FTLEs and time averages for these examples are also carried out, with similar conclusions as for the benchmark examples.

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.

Effect of conservation tillage on soil physical properties, in-situ rainwater harvesting, and erosion control in arid and semi-arid regions

La escasez del agua en las regiones áridas y semiáridas se debe a la escasez de precipitaciones y la distribución desigual en toda la temporada, lo que hace de la agricultura de secano una empresa precaria. Un enfoque para mejorar y estabilizar el agua disponible para la producción de cultivos en estas regiones es el uso de tecnologías de captación de agua de lluvia in situ y su conservación. La adopción de los sistemas de conservación de la humedad del suelo in situ, tales como la labranza de conservación, es una de las estrategias para mejorar la gestión de la agricultura en zonas áridas y semiáridas. El objetivo general de esta tesis ha sido desarrollar una metodología de aplicación de labranza de depósito e investigar los efectos a corto plazo sobre las propiedades físicas del suelo de las diferentes prácticas de cultivo que incluyen labranza de depósito: (reservoir tillage, RT), la laboreo mínimo: (minimum tillage, MT), la no laboreo: (zero tillage, ZT) y laboreo convencional: (conventional tillage, CT) Así como, la retención de agua del suelo y el control de la erosión del suelo en las zonas áridas y semiáridas. Como una primera aproximación, se ha realizado una revisión profunda del estado de la técnica, después de la cual, se encontró que la labranza de depósito es un sistema eficaz de cosecha del agua de lluvia y conservación del suelo, pero que no ha sido evaluada científicamente tanto como otros sistemas de labranza. Los trabajos experimentales cubrieron tres condiciones diferentes: experimentos en laboratorio, experimentos de campo en una región árida, y experimentos de campo en una región semiárida. Para investigar y cuantificar el almacenamiento de agua a temperatura ambiente y la forma en que podría adaptarse para mejorar la infiltración del agua de lluvia recolectada y reducir la erosión del suelo, se ha desarrollado un simulador de lluvia a escala de laboratorio. Las características de las lluvias, entre ellas la intensidad de las precipitaciones, la uniformidad espacial y tamaño de la gota de lluvia, confirmaron que las condiciones naturales de precipitación son simuladas con suficiente precisión. El simulador fue controlado automáticamente mediante una válvula de solenoide y tres boquillas de presión que se usaron para rociar agua correspondiente a diferentes intensidades de lluvia. Con el fin de evaluar el método de RT bajo diferentes pendientes de superficie, se utilizaron diferentes dispositivos de pala de suelo para sacar un volumen idéntico para hacer depresiones. Estas depresiones se compararon con una superficie de suelo control sin depresión, y los resultados mostraron que la RT fue capaz de reducir la erosión del suelo y la escorrentía superficial y aumentar significativamente la infiltración. Luego, basándonos en estos resultados, y después de identificar la forma adecuada de las depresiones, se ha diseñado una herramienta combinada (sistema integrado de labranza de depósito (RT)) compuesto por un arado de una sola línea de chisel, una sola línea de grada en diente de pico, sembradora modificada, y rodillo de púas. El equipo fue construido y se utiliza para comparación con MT y CT en un ambiente árido en Egipto. El estudio se realizó para evaluar el impacto de diferentes prácticas de labranza y sus parámetros de funcionamiento a diferentes profundidades de labranza y con distintas velocidades de avance sobre las propiedades físicas del suelo, así como, la pérdida de suelo, régimen de humedad, la eficiencia de recolección de agua, y la productividad de trigo de invierno. Los resultados indicaron que la RT aumentó drásticamente la infiltración, produciendo una tasa que era 47.51% más alta que MT y 64.56% mayor que la CT. Además, los resultados mostraron que los valores más bajos de la escorrentía y pérdidas de suelos 4.91 mm y 0.65 t ha-1, respectivamente, se registraron en la RT, mientras que los valores más altos, 11.36 mm y 1.66 t ha-1, respectivamente, se produjeron en el marco del CT. Además, otros dos experimentos de campo se llevaron a cabo en ambiente semiárido en Madrid con la cebada y el maíz como los principales cultivos. También ha sido estudiado el potencial de la tecnología inalámbrica de sensores para monitorizar el potencial de agua del suelo. Para el experimento en el que se cultivaba la cebada en secano, se realizaron dos prácticas de labranza (RT y MT). Los resultados mostraron que el potencial del agua del suelo aumentó de forma constante y fue consistentemente mayor en MT. Además, con independencia de todo el período de observación, RT redujo el potencial hídrico del suelo en un 43.6, 5.7 y 82.3% respectivamente en comparación con el MT a profundidades de suelo (10, 20 y 30 cm, respectivamente). También se observaron diferencias claras en los componentes del rendimiento de los cultivos y de rendimiento entre los dos sistemas de labranza, el rendimiento de grano (hasta 14%) y la producción de biomasa (hasta 8.8%) se incrementaron en RT. En el experimento donde se cultivó el maíz en regadío, se realizaron cuatro prácticas de labranza (RT, MT, ZT y CT). Los resultados revelaron que ZT y RT tenían el potencial de agua y temperatura del suelo más bajas. En comparación con el tratamiento con CT, ZT y RT disminuyó el potencial hídrico del suelo en un 72 y 23%, respectivamente, a la profundidad del suelo de 40 cm, y provocó la disminución de la temperatura del suelo en 1.1 y un 0.8 0C respectivamente, en la profundidad del suelo de 5 cm y, por otro lado, el ZT tenía la densidad aparente del suelo y resistencia a la penetración más altas, la cual retrasó el crecimiento del maíz y disminuyó el rendimiento de grano que fue del 15.4% menor que el tratamiento con CT. RT aumenta el rendimiento de grano de maíz cerca de 12.8% en comparación con la ZT. Por otra parte, no hubo diferencias significativas entre (RT, MT y CT) sobre el rendimiento del maíz. En resumen, según los resultados de estos experimentos, se puede decir que mediante el uso de la labranza de depósito, consistente en realizar depresiones después de la siembra, las superficies internas de estas depresiones se consolidan de tal manera que el agua se mantiene para filtrarse en el suelo y por lo tanto dan tiempo para aportar humedad a la zona de enraizamiento de las plantas durante un período prolongado de tiempo. La labranza del depósito podría ser utilizada como un método alternativo en regiones áridas y semiáridas dado que retiene la humedad in situ, a través de estructuras que reducen la escorrentía y por lo tanto puede resultar en la mejora de rendimiento de los cultivos. ABSTRACT Water shortage in arid and semi-arid regions stems from low rainfall and uneven distribution throughout the season, which makes rainfed agriculture a precarious enterprise. One approach to enhance and stabilize the water available for crop production in these regions is to use in-situ rainwater harvesting and conservation technologies. Adoption of in-situ soil moisture conservation systems, such as conservation tillage, is one of the strategies for upgrading agriculture management in arid and semi-arid environments. The general aim of this thesis is to develop a methodology to apply reservoir tillage to investigate the short-term effects of different tillage practices including reservoir tillage (RT), minimum tillage (MT), zero tillage (ZT), and conventional tillage (CT) on soil physical properties, as well as, soil water retention, and soil erosion control in arid and semi-arid areas. As a first approach, a review of the state of the art has been done. We found that reservoir tillage is an effective system of harvesting rainwater and conserving soil, but it has not been scientifically evaluated like other tillage systems. Experimental works covered three different conditions: laboratory experiments, field experiments in an arid region, and field experiments in a semi-arid region. To investigate and quantify water storage from RT and how it could be adapted to improve infiltration of harvested rainwater and reduce soil erosion, a laboratory-scale rainfall simulator was developed. Rainfall characteristics, including rainfall intensity, spatial uniformity and raindrop size, confirm that natural rainfall conditions are simulated with sufficient accuracy. The simulator was auto-controlled by a solenoid valve and three pressure nozzles were used to spray water corresponding to different rainfall intensities. In order to assess the RT method under different surface slopes, different soil scooping devices with identical volume were used to create depressions. The performance of the soil with these depressions was compared to a control soil surface (with no depression). Results show that RT was able to reduce soil erosion and surface runoff and significantly increase infiltration. Then, based on these results and after selecting the proper shape of depressions, a combination implement integrated reservoir tillage system (integrated RT) comprised of a single-row chisel plow, single-row spike tooth harrow, modified seeder, and spiked roller was developed and used to compared to MT and CT in an arid environment in Egypt. The field experiments were conducted to evaluate the impact of different tillage practices and their operating parameters at different tillage depths and different forward speeds on the soil physical properties, as well as on runoff, soil losses, moisture regime, water harvesting efficiency, and winter wheat productivity. Results indicated that the integrated RT drastically increased infiltration, producing a rate that was 47.51% higher than MT and 64.56% higher than CT. In addition, results showed that the lowest values of runoff and soil losses, 4.91 mm and 0.65 t ha-1 respectively, were recorded under the integrated RT, while the highest values, 11.36 mm and 1.66 t ha -1 respectively, occurred under the CT. In addition, two field experiments were carried out in semi-arid environment in Madrid with barley and maize as the main crops. For the rainfed barley experiment, two tillage practices (RT, and MT) were performed. Results showed that soil water potential increased quite steadily and were consistently greater in MT and, irrespective of the entire observation period, RT decreased soil water potential by 43.6, 5.7, and 82.3% compared to MT at soil depths (10, 20, and 30 cm, respectively). In addition, clear differences in crop yield and yield components were observed between the two tillage systems, grain yield (up to 14%) and biomass yield (up to 8.8%) were increased by RT. For the irrigated maize experiment, four tillage practices (RT, MT, ZT, and CT) were performed. Results showed that ZT and RT had the lowest soil water potential and soil temperature. Compared to CT treatment, ZT and RT decreased soil water potential by 72 and 23% respectively, at soil depth of 40 cm, and decreased soil temperature by 1.1 and 0.8 0C respectively, at soil depth of 5 cm. Also, ZT had the highest soil bulk density and penetration resistance, which delayed the maize growth and decreased the grain yield that was 15.4% lower than CT treatment. RT increased maize grain yield about 12.8% compared to ZT. On the other hand, no significant differences among (RT, MT, and CT) on maize yield were found. In summary, according to the results from these experiments using reservoir tillage to make depressions after seeding, these depression’s internal surfaces are consolidated in such a way that the water is held to percolate into the soil and thus allowing time to offer moisture to the plant rooting zone over an extended period of time. Reservoir tillage could be used as an alternative method in arid and semi-arid regions and it retains moisture in-situ, through structures that reduce runoff and thus can result in improved crop yields.

Generalized synchronization in relay systems with instantaneous coupling

We demonstrate the existence of generalized synchronization in systems that act as mediators between two dynamical units that, in turn, show complete synchronization with each other. These are the so-called relay systems. Specifically, we analyze the Lyapunov spectrum of the full system to elucidate when complete and generalized synchronization appear. We show that once a critical coupling strength is achieved, complete synchronization emerges between the systems to be synchronized, and at the same point, generalized synchronization with the relay system also arises. Next, we use two nonlinear measures based on the distance between phase-space neighbors to quantify the generalized synchronization in discretized time series. Finally, we experimentally show the robustness of the phenomenon and of the theoretical tools here proposed to characterize it.

Modelling and Control of Stepper Motors for High Accuracy Positioning Systems Used in Radioactive Environments

Hybrid Stepper Motors are widely used in open-loop position applications. They are the choice of actuation for the collimators in the Large Hadron Collider, the largest particle accelerator at CERN. In this case the positioning requirements and the highly radioactive operating environment are unique. The latter forces both the use of long cables to connect the motors to the drives which act as transmission lines and also prevents the use of standard position sensors. However, reliable and precise operation of the collimators is critical for the machine, requiring the prevention of step loss in the motors and maintenance to be foreseen in case of mechanical degradation. In order to make the above possible, an approach is proposed for the application of an Extended Kalman Filter to a sensorless stepper motor drive, when the motor is separated from its drive by long cables. When the long cables and high frequency pulse width modulated control voltage signals are used together, the electrical signals difer greatly between the motor and drive-side of the cable. Since in the considered case only drive-side data is available, it is therefore necessary to estimate the motor-side signals. Modelling the entire cable and motor system in an Extended Kalman Filter is too computationally intensive for standard embedded real-time platforms. It is, in consequence, proposed to divide the problem into an Extended Kalman Filter, based only on the motor model, and separated motor-side signal estimators, the combination of which is less demanding computationally. The efectiveness of this approach is shown in simulation. Then its validity is experimentally demonstrated via implementation in a DSP based drive. A testbench to test its performance when driving an axis of a Large Hadron Collider collimator is presented along with the results achieved. It is shown that the proposed method is capable of achieving position and load torque estimates which allow step loss to be detected and mechanical degradation to be evaluated without the need for physical sensors. These estimation algorithms often require a precise model of the motor, but the standard electrical model used for hybrid stepper motors is limited when currents, which are high enough to produce saturation of the magnetic circuit, are present. New model extensions are proposed in order to have a more precise model of the motor independently of the current level, whilst maintaining a low computational cost. It is shown that a significant improvement in the model It is achieved with these extensions, and their computational performance is compared to study the cost of model improvement versus computation cost. The applicability of the proposed model extensions is demonstrated via their use in an Extended Kalman Filter running in real-time for closed-loop current control and mechanical state estimation. An additional problem arises from the use of stepper motors. The mechanics of the collimators can wear due to the abrupt motion and torque profiles that are applied by them when used in the standard way, i.e. stepping in open-loop. Closed-loop position control, more specifically Field Oriented Control, would allow smoother profiles, more respectful to the mechanics, to be applied but requires position feedback. As mentioned already, the use of sensors in radioactive environments is very limited for reliability reasons. Sensorless control is a known option but when the speed is very low or zero, as is the case most of the time for the motors used in the LHC collimator, the loss of observability prevents its use. In order to allow the use of position sensors without reducing the long term reliability of the whole system, the possibility to switch from closed to open loop is proposed and validated, allowing the use of closed-loop control when the position sensors function correctly and open-loop when there is a sensor failure. A different approach to deal with the switched drive working with long cables is also presented. Switched mode stepper motor drives tend to have poor performance or even fail completely when the motor is fed through a long cable due to the high oscillations in the drive-side current. The design of a stepper motor output fillter which solves this problem is thus proposed. A two stage filter, one devoted to dealing with the diferential mode and the other with the common mode, is designed and validated experimentally. With this ?lter the drive performance is greatly improved, achieving a positioning repeatability even better than with the drive working without a long cable, the radiated emissions are reduced and the overvoltages at the motor terminals are eliminated.

Digital Coherent Receivers and Advanced Optical Modulation Formats in 100 and 200 Gb/s DWDM Systems

Recent advances in coherent optical receivers is reviewed. Digital-Signal-Processing (DSP) based phase and polarization management techniques make coherent detection robust and feasible. With coherent detection, the complex field of the received optical signal is fully recovered, allowing compensation of linear and nonlinear optical impairments including chromatic dispersion (CD) and polarization-mode dispersion (PMD) using digital filters. Coherent detection and advanced optical modulation formats have become a key ingredient to the design of modern dense wavelength-division multiplexed (DWDM) optical broadband networks. In this paper, firstly we present the different subsystems of a digital coherent optical receiver, and secondly, we will compare the performance of some multi-level and multi-dimensional modulation formats in some physical impairments and in high spectral-efficiency (SE) and high-capacity DWDM transmissions, simulating the DSP with Matlab and the optical network performance with OptiSystem software.

Multiplexing QKD systems in Conventional Optical Networks

Current QKD designs try to keep the quantum channel as error free as possible by using a separate physical medium for this purpose. In the most common case, this means the exclusive use of an optical fiber for the quantum channel, precluding its use for any other purpose. In current optical networks, the fiber is the single most expensive element and this poses a major problem from a cost and availability point of view. Sharing the fiber is thus mandatory for the widespread adoption of QKD. The objective of this communication is to propose a general scheme and present some preliminary measurements of a metropolitan area network (MAN) designed to multiplex of the order of 64 addressable quantum channels and the associated QKD classical service signals on a single dark fibre. It uses as much existing components and infraestructure as possible in an attempt to simultaneously lower most of the practical barriers for the adoption of QKD.

New methodology for the integration of biometric features in speaker recognition systems applied to security environments

La cuestión principal abordada en esta tesis doctoral es la mejora de los sistemas biométricos de reconocimiento de personas a partir de la voz, proponiendo el uso de una nueva parametrización, que hemos denominado parametrización biométrica extendida dependiente de género (GDEBP en sus siglas en inglés). No se propone una ruptura completa respecto a los parámetros clásicos sino una nueva forma de utilizarlos y complementarlos. En concreto, proponemos el uso de parámetros diferentes dependiendo del género del locutor, ya que como es bien sabido, la voz masculina y femenina presentan características diferentes que deberán modelarse, por tanto, de diferente manera. Además complementamos los parámetros clásicos utilizados (MFFC extraídos de la señal de voz), con un nuevo conjunto de parámetros extraídos a partir de la deconstrucción de la señal de voz en sus componentes de fuente glótica (más relacionada con el proceso y órganos de fonación y por tanto con características físicas del locutor) y de tracto vocal (más relacionada con la articulación acústica y por tanto con el mensaje emitido). Para verificar la validez de esta propuesta se plantean diversos escenarios, utilizando diferentes bases de datos, para validar que la GDEBP permite generar una descripción más precisa de los locutores que los parámetros MFCC clásicos independientes del género. En concreto se plantean diferentes escenarios de identificación sobre texto restringido y texto independiente utilizando las bases de datos de HESPERIA y ALBAYZIN. El trabajo también se completa con la participación en dos competiciones internacionales de reconocimiento de locutor, NIST SRE (2010 y 2012) y MOBIO 2013. En el primer caso debido a la naturaleza de las bases de datos utilizadas se obtuvieron resultados cercanos al estado del arte, mientras que en el segundo de los casos el sistema presentado obtuvo la mejor tasa de reconocimiento para locutores femeninos. A pesar de que el objetivo principal de esta tesis no es el estudio de sistemas de clasificación, sí ha sido necesario analizar el rendimiento de diferentes sistemas de clasificación, para ver el rendimiento de la parametrización propuesta. En concreto, se ha abordado el uso de sistemas de reconocimiento basados en el paradigma GMM-UBM, supervectores e i-vectors. Los resultados que se presentan confirman que la utilización de características que permitan describir los locutores de manera más precisa es en cierto modo más importante que la elección del sistema de clasificación utilizado por el sistema. En este sentido la parametrización propuesta supone un paso adelante en la mejora de los sistemas de reconocimiento biométrico de personas por la voz, ya que incluso con sistemas de clasificación relativamente simples se consiguen tasas de reconocimiento realmente competitivas. ABSTRACT The main question addressed in this thesis is the improvement of automatic speaker recognition systems, by the introduction of a new front-end module that we have called Gender Dependent Extended Biometric Parameterisation (GDEBP). This front-end do not constitute a complete break with respect to classical parameterisation techniques used in speaker recognition but a new way to obtain these parameters while introducing some complementary ones. Specifically, we propose a gender-dependent parameterisation, since as it is well known male and female voices have different characteristic, and therefore the use of different parameters to model these distinguishing characteristics should provide a better characterisation of speakers. Additionally, we propose the introduction of a new set of biometric parameters extracted from the components which result from the deconstruction of the voice into its glottal source estimate (close related to the phonation process and the involved organs, and therefore the physical characteristics of the speaker) and vocal tract estimate (close related to acoustic articulation and therefore to the spoken message). These biometric parameters constitute a complement to the classical MFCC extracted from the power spectral density of speech as a whole. In order to check the validity of this proposal we establish different practical scenarios, using different databases, so we can conclude that a GDEBP generates a more accurate description of speakers than classical approaches based on gender-independent MFCC. Specifically, we propose scenarios based on text-constrain and text-independent test using HESPERIA and ALBAYZIN databases. This work is also completed with the participation in two international speaker recognition evaluations: NIST SRE (2010 and 2012) and MOBIO 2013, with diverse results. In the first case, due to the nature of the NIST databases, we obtain results closed to state-of-the-art although confirming our hypothesis, whereas in the MOBIO SRE we obtain the best simple system performance for female speakers. Although the study of classification systems is beyond the scope of this thesis, we found it necessary to analise the performance of different classification systems, in order to verify the effect of them on the propose parameterisation. In particular, we have addressed the use of speaker recognition systems based on the GMM-UBM paradigm, supervectors and i-vectors. The presented results confirm that the selection of a set of parameters that allows for a more accurate description of the speakers is as important as the selection of the classification method used by the biometric system. In this sense, the proposed parameterisation constitutes a step forward in improving speaker recognition systems, since even when using relatively simple classification systems, really competitive recognition rates are achieved.

Lagrangian descriptors: a method for revealing phase space structures of general time dependent dynamical systems

Lagrangian descriptors are a recent technique which reveals geometrical structures in phase space and which are valid for aperiodically time dependent dynamical systems. We discuss a general methodology for constructing them and we discuss a "heuristic argument" that explains why this method is successful. We support this argument by explicit calculations on a benchmark problem. Several other benchmark examples are considered that allow us to assess the performance of Lagrangian descriptors with both finite time Lyapunov exponents (FTLEs) and finite time averages of certain components of the vector field ("time averages"). In all cases Lagrangian descriptors are shown to be both more accurate and computationally efficient than these methods.

On the Analytical Approach to Present Engineering Problems: Photovoltaic Systems Behavior, Wind Speed Sensors Performance, and High-Speed Train Pressure Wave Effects in Tunnels

At present, engineering problems required quite a sophisticated calculation means. However, analytical models still can prove to be a useful tool for engineers and scientists when dealing with complex physical phenomena. The mathematical models developed to analyze three different engineering problems: photovoltaic devices analysis; cup anemometer performance; and high-speed train pressure wave effects in tunnels are described. In all cases, the results are quite accurate when compared to testing measurements.

Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface

La energía eólica marina es uno de los recursos energéticos con mayor proyección pudiendo contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles y a cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como jackets o en plataformas flotantes, ya sea una semisumergible o una TLP. Se espera que la energía eólica offshore juegue un papel importante en el perfil de producción energética de los próximos años; por tanto, las turbinas eólicas deben hacerse más fables y rentables para ser competitivas frente a otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos disminuyen su operatividad y pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta de la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentando la amortiguación del sistema, (2) manteniendo el período del movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) reduciendo las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas, ya que aumentan la masa añadida y la amortiguación del sistema. En un análisis hidrodinámico convencional, se considera una estructura sometida a un oleaje con determinadas características y se evalúan las cargas lineales usando la teoría potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta en resonancia del sistema, es un dato de entrada para el análisis. La tesis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las heave plates usadas en las turbinas eólicas flotantes. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el f n de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida5 y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud del movimiento respecto al diámetro del disco. Por otra parte, se ha investigado la influencia de la distancia media de la ‘heave plate’ a la superficie libre o al fondo del mar, sobre los coeficientes hidrodinámicos. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, es descrito en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre el desprendimiento local de vorticidad y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de la geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes hidrodinámicos al incluir porosidad en ésta. Un diseño novedoso de una heave plate, basado en la teoría fractal, también fue analizado experimentalmente y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco sólido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otro autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo. ABSTRACT Offshore wind energy is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. Offshore wind turbine concepts are based on either a fixed structure as a jacket or a floating offshore platform like a semisubmersible, spar or tension leg platform. Floating offshore wind turbines have the potential to be an important part of the energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, these wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. Floating offshore artifacts, such oil rings and wind turbines, may experience resonant heave motions in sea states with long peak periods. These heave resonances may increase the system downtime and cause damage on the system components and as well as on risers and mooring systems. The heave resonant response may be reduced by different means: (1) increasing the damping of the system, (2) keeping the natural heave period outside the range of the wave energy, and (3) reducing the heave excitation forces. A typical example to accomplish this reduction are “Heave Plates”. Heave plates are used in the offshore industry due to their hydrodynamic characteristics, i.e., increased added mass and damping. Conventional offshore hydrodynamic analysis considers a structure in waves, and evaluates the linear and nonlinear loads using potential theory. Viscous damping, which is expected to play a crucial role in the resonant response, is an empirical input to the analysis, and is not explicitly calculated. The present research has been mainly focused on the prediction of viscous damping and added mass of floating offshore wind turbine heave plates. In the calculations, the hydrodynamic forces have been measured in order to compute how the hydrodynamic coefficients of added mass1 and damping vary with the KC number, which characterises the amplitude of heave motion relative to the diameter of the disc. In addition, the influence on the hydrodynamic coefficients when the heave plate is oscillating close to the free surface or the seabed has been investigated. In this process, a new model describing the work done by damping in terms of the flow enstrophy, is described herein. This new approach is able to provide a direct correlation between the local vortex shedding processes and the global damping force. The analysis also includes the study of different edges geometry, and examines the sensitivity of the damping and added mass coefficients to the porosity of the plate. A novel porous heave plate based on fractal theory has also been proposed, tested experimentally and compared with experimental data obtained by other authors for plates with similar porosity. A numerical solver of Navier Stokes equations, based on the finite volume technique has been applied. It uses the open-source libraries of OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), to solve 2 incompressible, isothermal immiscible fluids using a VOF (volume of fluid) phase-fraction based interface capturing approach, with optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing. Numerical results have been compared with experiments conducted at Technical University of Madrid (CEHINAV) and CEHIPAR model basins in Madrid and with others performed at School of Mechanical Engineering in The University of Western Australia. A brief summary of main results are presented below: 1. At low KC numbers, a systematic increase in added mass and damping, corresponding to an increase in the seabed proximity, is observed. Specifically, for the cases when the heave plate is oscillating closer to the free surface, the dependence of the hydrodynamic coefficients is strongly influenced by the free surface. 2. As seen in experiments, a critical KC, where the linear trend of the hydrodynamic coefficients with KC is disrupted and that depends on the seabed or free surface distance, has been found. 3. The physical behavior of the flow around the critical KC has been explained through an analysis of the flow vorticity field. 4. The porosity of the heave plates reduces the added mass for the studied porosity at all KC numbers, but the porous heave plates are found to increase the damping coefficient with increasing amplitude of oscillation, achieving a maximum damping coefficient for the heave plate with 10% porosity in the entire KC range. 5. Another concept taken into account in this work has been the heave plates with flaps. Numerical and experimental results show that using discs with flaps will increase added mass when compared to the plain plate but may also significantly reduce damping. 6. A novel heave plate design based on fractal theory has tested experimentally for different submergences and compared with experimental data obtained by other authors for porous plates. Results show an unclear behavior in the coefficients and should be studied further. Future work is necessary in order to address a series of open questions focusing on 3D effects, optimization of the heave plates shapes, etc.

Transmitter-side antennas correlation in SVD-assisted MIMO systems

MIMO techniques allow increasing wireless channel performance by decreasing the BER and increasing the channel throughput and in consequence are included in current mobile communication standards. MIMO techniques are based on benefiting the existence of multipath in wireless communications and the application of appropriate signal processing techniques. The singular value decomposition (SVD) is a popular signal processing technique which, based on the perfect channel state information (PCSI) knowledge at both the transmitter and receiver sides, removes inter-antenna interferences and improves channel performance. Nevertheless, the proximity of the multiple antennas at each front-end produces the so called antennas correlation effect due to the similarity of the various physical paths. In consequence, antennas correlation drops the MIMO channel performance. This investigation focuses on the analysis of a MIMO channel under transmitter-side antennas correlation conditions. First, antennas correlation is analyzed and characterized by the correlation coefficients. The analysis describes the relation between antennas correlation and the appearance of predominant layers which significantly affect the channel performance. Then, based on the SVD, pre- and post-processing is applied to remove inter-antenna interferences. Finally, bit- and power allocation strategies are applied to reach the best performance. The resulting BER reveals that antennas correlation effect diminishes the channel performance and that not necessarily all MIMO layers must be activated to obtain the best performance.

Fault management techniques for systems with SRAM-based FPGAs

Las Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) SRAM se construyen sobre una memoria de configuración de tecnología RAM Estática (SRAM). Presentan múltiples características que las hacen muy interesantes para diseñar sistemas empotrados complejos. En primer lugar presentan un coste no-recurrente de ingeniería (NRE) bajo, ya que los elementos lógicos y de enrutado están pre-implementados (el diseño de usuario define su conexionado). También, a diferencia de otras tecnologías de FPGA, pueden ser reconfiguradas (incluso en campo) un número ilimitado de veces. Es más, las FPGAs SRAM de Xilinx soportan Reconfiguración Parcial Dinámica (DPR), la cual permite reconfigurar la FPGA sin interrumpir la aplicación. Finalmente, presentan una alta densidad de lógica, una alta capacidad de procesamiento y un rico juego de macro-bloques. Sin embargo, un inconveniente de esta tecnología es su susceptibilidad a la radiación ionizante, la cual aumenta con el grado de integración (geometrías más pequeñas, menores tensiones y mayores frecuencias). Esta es una precupación de primer nivel para aplicaciones en entornos altamente radiativos y con requisitos de alta confiabilidad. Este fenómeno conlleva una degradación a largo plazo y también puede inducir fallos instantáneos, los cuales pueden ser reversibles o producir daños irreversibles. En las FPGAs SRAM, los fallos inducidos por radiación pueden aparecer en en dos capas de arquitectura diferentes, que están físicamente superpuestas en el dado de silicio. La Capa de Aplicación (o A-Layer) contiene el hardware definido por el usuario, y la Capa de Configuración contiene la memoria de configuración y la circuitería de soporte. Los fallos en cualquiera de estas capas pueden hacer fracasar el sistema, lo cual puede ser ás o menos tolerable dependiendo de los requisitos de confiabilidad del sistema. En el caso general, estos fallos deben gestionados de alguna manera. Esta tesis trata sobre la gestión de fallos en FPGAs SRAM a nivel de sistema, en el contexto de sistemas empotrados autónomos y confiables operando en un entorno radiativo. La tesis se centra principalmente en aplicaciones espaciales, pero los mismos principios pueden aplicarse a aplicaciones terrenas. Las principales diferencias entre ambas son el nivel de radiación y la posibilidad de mantenimiento. Las diferentes técnicas para la gestión de fallos en A-Layer y C-Layer son clasificados, y sus implicaciones en la confiabilidad del sistema son analizados. Se proponen varias arquitecturas tanto para Gestores de Fallos de una capa como de doble-capa. Para estos últimos se propone una arquitectura novedosa, flexible y versátil. Gestiona las dos capas concurrentemente de manera coordinada, y permite equilibrar el nivel de redundancia y la confiabilidad. Con el objeto de validar técnicas de gestión de fallos dinámicas, se desarrollan dos diferentes soluciones. La primera es un entorno de simulación para Gestores de Fallos de C-Layer, basado en SystemC como lenguaje de modelado y como simulador basado en eventos. Este entorno y su metodología asociada permite explorar el espacio de diseño del Gestor de Fallos, desacoplando su diseño del desarrollo de la FPGA objetivo. El entorno incluye modelos tanto para la C-Layer de la FPGA como para el Gestor de Fallos, los cuales pueden interactuar a diferentes niveles de abstracción (a nivel de configuration frames y a nivel físico JTAG o SelectMAP). El entorno es configurable, escalable y versátil, e incluye capacidades de inyección de fallos. Los resultados de simulación para algunos escenarios son presentados y comentados. La segunda es una plataforma de validación para Gestores de Fallos de FPGAs Xilinx Virtex. La plataforma hardware aloja tres Módulos de FPGA Xilinx Virtex-4 FX12 y dos Módulos de Unidad de Microcontrolador (MCUs) de 32-bits de propósito general. Los Módulos MCU permiten prototipar Gestores de Fallos de C-Layer y A-Layer basados en software. Cada Módulo FPGA implementa un enlace de A-Layer Ethernet (a través de un switch Ethernet) con uno de los Módulos MCU, y un enlace de C-Layer JTAG con el otro. Además, ambos Módulos MCU intercambian comandos y datos a través de un enlace interno tipo UART. Al igual que para el entorno de simulación, se incluyen capacidades de inyección de fallos. Los resultados de pruebas para algunos escenarios son también presentados y comentados. En resumen, esta tesis cubre el proceso completo desde la descripción de los fallos FPGAs SRAM inducidos por radiación, pasando por la identificación y clasificación de técnicas de gestión de fallos, y por la propuesta de arquitecturas de Gestores de Fallos, para finalmente validarlas por simulación y pruebas. El trabajo futuro está relacionado sobre todo con la implementación de Gestores de Fallos de Sistema endurecidos para radiación. ABSTRACT SRAM-based Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are built on Static RAM (SRAM) technology configuration memory. They present a number of features that make them very convenient for building complex embedded systems. First of all, they benefit from low Non-Recurrent Engineering (NRE) costs, as the logic and routing elements are pre-implemented (user design defines their connection). Also, as opposed to other FPGA technologies, they can be reconfigured (even in the field) an unlimited number of times. Moreover, Xilinx SRAM-based FPGAs feature Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to partially reconfigure the FPGA without disrupting de application. Finally, they feature a high logic density, high processing capability and a rich set of hard macros. However, one limitation of this technology is its susceptibility to ionizing radiation, which increases with technology scaling (smaller geometries, lower voltages and higher frequencies). This is a first order concern for applications in harsh radiation environments and requiring high dependability. Ionizing radiation leads to long term degradation as well as instantaneous faults, which can in turn be reversible or produce irreversible damage. In SRAM-based FPGAs, radiation-induced faults can appear at two architectural layers, which are physically overlaid on the silicon die. The Application Layer (or A-Layer) contains the user-defined hardware, and the Configuration Layer (or C-Layer) contains the (volatile) configuration memory and its support circuitry. Faults at either layers can imply a system failure, which may be more ore less tolerated depending on the dependability requirements. In the general case, such faults must be managed in some way. This thesis is about managing SRAM-based FPGA faults at system level, in the context of autonomous and dependable embedded systems operating in a radiative environment. The focus is mainly on space applications, but the same principles can be applied to ground applications. The main differences between them are the radiation level and the possibility for maintenance. The different techniques for A-Layer and C-Layer fault management are classified and their implications in system dependability are assessed. Several architectures are proposed, both for single-layer and dual-layer Fault Managers. For the latter, a novel, flexible and versatile architecture is proposed. It manages both layers concurrently in a coordinated way, and allows balancing redundancy level and dependability. For the purpose of validating dynamic fault management techniques, two different solutions are developed. The first one is a simulation framework for C-Layer Fault Managers, based on SystemC as modeling language and event-driven simulator. This framework and its associated methodology allows exploring the Fault Manager design space, decoupling its design from the target FPGA development. The framework includes models for both the FPGA C-Layer and for the Fault Manager, which can interact at different abstraction levels (at configuration frame level and at JTAG or SelectMAP physical level). The framework is configurable, scalable and versatile, and includes fault injection capabilities. Simulation results for some scenarios are presented and discussed. The second one is a validation platform for Xilinx Virtex FPGA Fault Managers. The platform hosts three Xilinx Virtex-4 FX12 FPGA Modules and two general-purpose 32-bit Microcontroller Unit (MCU) Modules. The MCU Modules allow prototyping software-based CLayer and A-Layer Fault Managers. Each FPGA Module implements one A-Layer Ethernet link (through an Ethernet switch) with one of the MCU Modules, and one C-Layer JTAG link with the other. In addition, both MCU Modules exchange commands and data over an internal UART link. Similarly to the simulation framework, fault injection capabilities are implemented. Test results for some scenarios are also presented and discussed. In summary, this thesis covers the whole process from describing the problem of radiationinduced faults in SRAM-based FPGAs, then identifying and classifying fault management techniques, then proposing Fault Manager architectures and finally validating them by simulation and test. The proposed future work is mainly related to the implementation of radiation-hardened System Fault Managers.