Quantifying Reproducibility in Computational Biology: The Case of the Tuberculosis Drugome

How easy is it to reproduce the results found in a typical computational biology paper? Either through experience or intuition the reader will already know that the answer is with difficulty or not at all. In this paper we attempt to quantify this difficulty by reproducing a previously published paper for different classes of users (ranging from users with little expertise to domain experts) and suggest ways in which the situation might be improved. Quantification is achieved by estimating the time required to reproduce each of the steps in the method described in the original paper and make them part of an explicit workflow that reproduces the original results. Reproducing the method took several months of effort, and required using new versions and new software that posed challenges to reconstructing and validating the results. The quantification leads to “reproducibility maps” that reveal that novice researchers would only be able to reproduce a few of the steps in the method, and that only expert researchers with advance knowledge of the domain would be able to reproduce the method in its entirety. The workflow itself is published as an online resource together with supporting software and data. The paper concludes with a brief discussion of the complexities of requiring reproducibility in terms of cost versus benefit, and a desiderata with our observations and guidelines for improving reproducibility. This has implications not only in reproducing the work of others from published papers, but reproducing work from one’s own laboratory.

Matrix-free time-stepping methods for the solution of TriGlobal instability problems

La inmensa mayoría de los flujos de relevancia ingenieril permanecen sin estudiar en el marco de la teoría de estabilidad global. Esto es debido a dos razones fundamentalmente, las dificultades asociadas con el análisis de los flujos turbulentos y los inmensos recursos computacionales requeridos para obtener la solución del problema de autovalores asociado al análisis de inestabilidad de flujos tridimensionales, también conocido como problema TriGlobal. En esta tesis se aborda el problema asociado con la tridimensionalidad. Se ha desarrollado una metodología general para obtener soluciones de problemas de análisis modal de las inestabilidades lineales globales mediante el acoplamiento de métodos de evolución temporal, desarrollados en este trabajo, con códigos de mecánica de fluidos computacional de segundo orden, utilizados de forma general en la industria. Esta metodología consiste en la resolución del problema de autovalores asociado al análisis de inestabilidad mediante métodos de proyección en subespacios de Krylov, con la particularidad de que dichos subespacios son generados por medio de la integración temporal de un vector inicial usando cualquier código de mecánica de fluidos computacional. Se han elegido tres problemas desafiantes en función de la exigencia de recursos computacionales necesarios y de la complejidad física para la demostración de la presente metodología: (i) el flujo en el interior de una cavidad tridimensional impulsada por una de sus tapas, (ii) el flujo alrededor de un cilindro equipado con aletas helicoidales a lo largo su envergadura y (iii) el flujo a través de una cavidad abierta tridimensinal en ausencia de homogeneidades espaciales. Para la validación de la tecnología se ha obtenido la solución del problema TriGlobal asociado al flujo en la cavidad tridimensional, utilizando el método de evolución temporal desarrollado acoplado con los operadores numéricos de flujo incompresible del código CFD OpenFOAM (código libre). Los resultados obtenidos coinciden plentamente con la literatura. La aplicación de esta metodología al estudio de inestabilidades globales de flujos abiertos tridimensionales ha proporcionado por primera vez, información sobre la transición tridimensional de estos flujos. Además, la metodología ha sido adaptada para resolver problemas adjuntos TriGlobales, permitiendo el control de flujo basado en modificaciones de las inestabilidades globales. Finalmente, se ha demostrado que la cantidad moderada de los recursos computacionales requeridos para la solución del problema de valor propio TriGlobal usando este método numérico, junto a su versatilidad al poder acoplarse a cualquier código aerodinámico, permite la realización de análisis de inestabilidad global y control de flujos complejos de relevancia industrial. Abstract Most flows of engineering relevance still remain unexplored in a global instability theory context for two reasons. First, because of the difficulties associated with the analysis of turbulent flows and, second, for the formidable computational resources required for the solution of the eigenvalue problem associated with the instability analysis of three-dimensional base flows, also known as TriGlobal problem. In this thesis, the problem associated with the three-dimensionality is addressed by means of the development of a general approach to the solution of large-scale global linear instability analysis by coupling a time-stepping approach with second order aerodynamic codes employed in industry. Three challenging flows in the terms of required computational resources and physical complexity have been chosen for demonstration of the present methodology; (i) the flow inside a wall-bounded three-dimensional lid-driven cavity, (ii) the flow past a cylinder fitted with helical strakes and (iii) the flow over a inhomogeneous three-dimensional open cavity. Results in excellent agreement with the literature have been obtained for the three-dimensional lid-driven cavity by using this methodology coupled with the incompressible solver of the open-source toolbox OpenFOAM®, which has served as validation. Moreover, significant physical insight of the instability of three-dimensional open flows has been gained through the application of the present time-stepping methodology to the other two cases. In addition, modifications to the present approach have been proposed in order to perform adjoint instability analysis of three-dimensional base flows and flow control; validation and TriGlobal examples are presented. Finally, it has been demonstrated that the moderate amount of computational resources required for the solution of the TriGlobal eigenvalue problem using this method enables the performance of instability analysis and control of flows of industrial relevance.

Modelización de los Procesos de Cristalización en Poliolefinas

“Por lo tanto, la cristalización de polímeros se supone, y en las teorías se describe a menudo, como un proceso de múltiples pasos con muchos aspectos físico-químicos y estructurales influyendo en él. Debido a la propia estructura de la cadena, es fácil entender que un proceso que es termodinámicamente forzado a aumentar su ordenamiento local, se vea obstaculizado geométricamente y, por tanto, no puede conducirse a un estado de equilibrio final. Como resultado, se forman habitualmente estructuras de no equilibrio con diferentes características dependiendo de la temperatura, presión, cizallamiento y otros parámetros físico-químicos del sistema”. Estas palabras, pronunciadas recientemente por el profesor Bernhard Wunderlich, uno de los mas relevantes fisico-quimicos que han abordado en las ultimas décadas el estudio del estado físico de las macromoléculas, adelantan lo que de alguna manera se explicita en esta memoria y constituyen el “leitmotiv” de este trabajo de tesis. El mecanismo de la cristalización de polímeros esta aun bajo debate en la comunidad de la física de polímeros y la mayoría de los abordajes experimentales se explican a través de la teoría LH. Esta teoría clásica debida a Lauritzen y Hoffman (LH), y que es una generalización de la teoría de cristalización de una molécula pequeña desde la fase de vapor, describe satisfactoriamente muchas observaciones experimentales aunque esta lejos de explicar el complejo fenómeno de la cristalización de polímeros. De hecho, la formulación original de esta teoría en el National Bureau of Standards, a comienzos de la década de los 70, sufrió varias reformulaciones importantes a lo largo de la década de los 80, buscando su adaptación a los hallazgos experimentales. Así nació el régimen III de cristalización que posibilita la creacion de nichos moleculares en la superficie y que dio pie al paradigma ofrecido por Sadler y col., para justificar los experimentos que se obtenian por “scattering” de neutrones y otras técnicas como la técnica de “droplets” o enfriamiento rapido. Por encima de todo, el gran éxito de la teoría radica en que explica la dependencia inversa entre el tamaño del plegado molecular y el subenfriamiento, definido este ultimo como el intervalo de temperatura que media entre la temperatura de equilibrio y la temperatura de cristalización. El problema concreto que aborda esta tesis es el estudio de los procesos de ordenamiento de poliolefinas con distinto grado de ramificacion mediante simulaciones numéricas. Los copolimeros estudiados en esta tesis se consideran materiales modelo de gran homogeneidad molecular desde el punto de vista de la distribución de tamaños y de ramificaciones en la cadena polimérica. Se eligieron estas poliolefinas debido al gran interes experimental en conocer el cambio en las propiedades fisicas de los materiales dependiendo del tipo y cantidad de comonomero utilizado. Además, son modelos sobre los que existen una ingente cantidad de información experimental, que es algo que preocupa siempre al crear una realidad virtual como es la simulación. La experiencia en el grupo Biophym es que los resultados de simulación deben de tener siempre un correlato mas o menos próximo experimental y ese argumento se maneja a lo largo de esta memoria. Empíricamente, se conoce muy bien que las propiedades físicas de las poliolefinas, en suma dependen del tipo y de la cantidad de ramificaciones que presenta el material polimérico. Sin embargo, tal como se ha explicado no existen modelos teóricos adecuados que expliquen los mecanismos subyacentes de los efectos de las ramas. La memoria de este trabajo es amplia por la complejidad del tema. Se inicia con una extensa introducción sobre los conceptos básicos de una macromolecula que son relevantes para entender el contenido del resto de la memoria. Se definen los conceptos de macromolecula flexible, distribuciones y momentos, y su comportamiento en disolución y fundido con los correspondientes parametros caracteristicos. Se pone especial énfasis en el concepto de “entanglement” o enmaranamiento por considerarse clave a la hora de tratar macromoléculas con una longitud superior a la longitud critica de enmaranamiento. Finaliza esta introducción con una reseña sobre el estado del arte en la simulación de los procesos de cristalización. En un segundo capitulo del trabajo se expone detalladamente la metodología usada en cada grupo de casos. En el primer capitulo de resultados, se discuten los estudios de simulación en disolución diluida para sistemas lineales y ramificados de cadena única. Este caso mas simple depende claramente del potencial de torsión elegido tal como se discute a lo largo del texto. La formación de los núcleos “babys” propuestos por Muthukumar parece que son consecuencia del potencial de torsión, ya que este facilita los estados de torsión mas estables. Así que se propone el análisis de otros potenciales que son igualmente utilizados y los resultados obtenidos sobre la cristalización, discutidos en consecuencia. Seguidamente, en un segundo capitulo de resultados se estudian moleculas de alcanos de cadena larga lineales y ramificados en un fundido por simulaciones atomisticas como un modelo de polietileno. Los resultados atomisticos pese a ser de gran detalle no logran captar en su totalidad los efectos experimentales que se observan en los fundidos subenfriados en su etapa previa al estado ordenado. Por esta razon se discuten en los capítulos 3 y 4 de resultados sistemas de cadenas cortas y largas utilizando dos modelos de grano grueso (CG-PVA y CG-PE). El modelo CG-PE se desarrollo durante la tesis. El uso de modelos de grano grueso garantiza una mayor eficiencia computacional con respecto a los modelos atomísticos y son suficientes para mostrar los fenómenos a la escala relevante para la cristalización. En todos estos estudios mencionados se sigue la evolución de los procesos de ordenamiento y de fusión en simulaciones de relajación isoterma y no isoterma. Como resultado de los modelos de simulación, se han evaluado distintas propiedades fisicas como la longitud de segmento ordenado, la cristalinidad, temperaturas de fusion/cristalizacion, etc., lo que permite una comparación con los resultados experimentales. Se demuestra claramente que los sistemas ramificados retrasan y dificultan el orden de la cadena polimérica y por tanto, las regiones cristalinas ordenadas decrecen al crecer las ramas. Como una conclusión general parece mostrarse una tendencia a la formación de estructuras localmente ordenadas que crecen como bloques para completar el espacio de cristalización que puede alcanzarse a una temperatura y a una escala de tiempo determinada. Finalmente hay que señalar que los efectos observados, estan en concordancia con otros resultados tanto teoricos/simulacion como experimentales discutidos a lo largo de esta memoria. Su resumen se muestra en un capitulo de conclusiones y líneas futuras de investigación que se abren como consecuencia de esta memoria. Hay que mencionar que el ritmo de investigación se ha acentuado notablemente en el ultimo ano de trabajo, en parte debido a las ventajas notables obtenidas por el uso de la metodología de grano grueso que pese a ser muy importante para esta memoria no repercute fácilmente en trabajos publicables. Todo ello justifica que gran parte de los resultados esten en fase de publicación. Abstract “Polymer crystallization is therefore assumed, and in theories often described, to be a multi step process with many influencing aspects. Because of the chain structure, it is easy to understand that a process which is thermodynamically forced to increase local ordering but is geometrically hindered cannot proceed into a final equilibrium state. As a result, nonequilibrium structures with different characteristics are usually formed, which depend on temperature, pressure, shearing and other parameters”. These words, recently written by Professor Bernhard Wunderlich, one of the most prominent researchers in polymer physics, put somehow in value the "leitmotiv "of this thesis. The crystallization mechanism of polymers is still under debate in the physics community and most of the experimental findings are still explained by invoking the LH theory. This classical theory, which was initially formulated by Lauritzen and Hoffman (LH), is indeed a generalization of the crystallization theory for small molecules from the vapor phase. Even though it describes satisfactorily many experimental observations, it is far from explaining the complex phenomenon of polymer crystallization. This theory was firstly devised in the early 70s at the National Bureau of Standards. It was successively reformulated along the 80s to fit the experimental findings. Thus, the crystallization regime III was introduced into the theory in order to explain the results found in neutron scattering, droplet or quenching experiments. This concept defines the roughness of the crystallization surface leading to the paradigm proposed by Sadler et al. The great success of this theory is the ability to explain the inverse dependence of the molecular folding size on the supercooling, the latter defined as the temperature interval between the equilibrium temperature and the crystallization temperature. The main scope of this thesis is the study of ordering processes in polyolefins with different degree of branching by using computer simulations. The copolymers studied along this work are considered materials of high molecular homogeneity, from the point of view of both size and branching distributions of the polymer chain. These polyolefins were selected due to the great interest to understand their structure– property relationships. It is important to note that there is a vast amount of experimental data concerning these materials, which is essential to create a virtual reality as is the simulation. The Biophym research group has a wide experience in the correlation between simulation data and experimental results, being this idea highly alive along this work. Empirically, it is well-known that the physical properties of the polyolefins depend on the type and amount of branches presented in the polymeric material. However, there are not suitable models to explain the underlying mechanisms associated to branching. This report is extensive due to the complexity of the topic under study. It begins with a general introduction to the basics concepts of macromolecular physics. This chapter is relevant to understand the content of the present document. Some concepts are defined along this section, among others the flexibility of macromolecules, size distributions and moments, and the behavior in solution and melt along with their corresponding characteristic parameters. Special emphasis is placed on the concept of "entanglement" which is a key item when dealing with macromolecules having a molecular size greater than the critical entanglement length. The introduction finishes with a review of the state of art on the simulation of crystallization processes. The second chapter of the thesis describes, in detail, the computational methodology used in each study. In the first results section, we discuss the simulation studies in dilute solution for linear and short chain branched single chain models. The simplest case is clearly dependent on the selected torsion potential as it is discussed throughout the text. For example, the formation of baby nuclei proposed by Mutukhumar seems to result from the effects of the torsion potential. Thus, we propose the analysis of other torsion potentials that are also used by other research groups. The results obtained on crystallization processes are accordingly discussed. Then, in a second results section, we study linear and branched long-chain alkane molecules in a melt by atomistic simulations as a polyethylene-like model. In spite of the great detail given by atomistic simulations, they are not able to fully capture the experimental facts observed in supercooled melts, in particular the pre-ordered states. For this reason, we discuss short and long chains systems using two coarse-grained models (CG-PVA and CG-PE) in section 3 and 4 of chapter 2. The CG-PE model was developed during the thesis. The use of coarse-grained models ensures greater computational efficiency with respect to atomistic models and is enough to show the relevant scale phenomena for crystallization. In all the analysis we follow the evolution of the ordering and melting processes by both isothermal and non isothermal simulations. During this thesis we have obtained different physical properties such as stem length, crystallinity, melting/crystallization temperatures, and so on. We show that branches in the chains cause a delay in the crystallization and hinder the ordering of the polymer chain. Therefore, crystalline regions decrease in size as branching increases. As a general conclusion, it seems that there is a tendency in the macromolecular systems to form ordered structures, which can grown locally as blocks, occupying the crystallization space at a given temperature and time scale. Finally it should be noted that the observed effects are consistent with both, other theoretical/simulation and experimental results. The summary is provided in the conclusions chapter along with future research lines that open as result of this report. It should be mentioned that the research work has speeded up markedly in the last year, in part because of the remarkable benefits obtained by the use of coarse-grained methodology that despite being very important for this thesis work, is not easily publishable by itself. All this justify that most of the results are still in the publication phase.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

Core physics and safety analysis of Generation-IV Sodium Fast Reactors using existing and newly developed computational tools

El futuro de la energía nuclear de fisión dependerá, entre otros factores, de la capacidad que las nuevas tecnologías demuestren para solventar los principales retos a largo plazo que se plantean. Los principales retos se pueden resumir en los siguientes aspectos: la capacidad de proporcionar una solución final, segura y fiable a los residuos radiactivos; así como dar solución a la limitación de recursos naturales necesarios para alimentar los reactores nucleares; y por último, una mejora robusta en la seguridad de las centrales que en definitiva evite cualquier daño potencial tanto en la población como en el medio ambiente como consecuencia de cualquier escenario imaginable o más allá de lo imaginable. Siguiendo estas motivaciones, la Generación IV de reactores nucleares surge con el compromiso de proporcionar electricidad de forma sostenible, segura, económica y evitando la proliferación de material fisible. Entre los sistemas conceptuales que se consideran para la Gen IV, los reactores rápidos destacan por su capacidad potencial de transmutar actínidos a la vez que permiten una utilización óptima de los recursos naturales. Entre los refrigerantes que se plantean, el sodio parece una de las soluciones más prometedoras. Como consecuencia, esta tesis surgió dentro del marco del proyecto europeo CP-ESFR con el principal objetivo de evaluar la física de núcleo y seguridad de los reactores rápidos refrigerados por sodio, al tiempo que se desarrollaron herramientas apropiadas para dichos análisis. Efectivamente, en una primera parte de la tesis, se abarca el estudio de la física del núcleo de un reactor rápido representativo, incluyendo el análisis detallado de la capacidad de transmutar actínidos minoritarios. Como resultado de dichos análisis, se publicó un artículo en la revista Annals of Nuclear Energy [96]. Por otra parte, a través de un análisis de un hipotético escenario nuclear español, se evalúo la disponibilidad de recursos naturales necesarios en el caso particular de España para alimentar una flota específica de reactores rápidos, siguiendo varios escenarios de demanda, y teniendo en cuenta la capacidad de reproducción de plutonio que tienen estos sistemas. Como resultado de este trabajo también surgió una publicación en otra revista científica de prestigio internacional como es Energy Conversion and Management [97]. Con objeto de realizar esos y otros análisis, se desarrollaron diversos modelos del núcleo del ESFR siguiendo varias configuraciones, y para diferentes códigos. Por otro lado, con objeto de poder realizar análisis de seguridad de reactores rápidos, son necesarias herramientas multidimensionales de alta fidelidad específicas para reactores rápidos. Dichas herramientas deben integrar fenómenos relacionados con la neutrónica y con la termo-hidráulica, entre otros, mediante una aproximación multi-física. Siguiendo este objetivo, se evalúo el código de difusión neutrónica ANDES para su aplicación a reactores rápidos. ANDES es un código de resolución nodal que se encuentra implementado dentro del sistema COBAYA3 y está basado en el método ACMFD. Por lo tanto, el método ACMFD fue sometido a una revisión en profundidad para evaluar su aptitud para la aplicación a reactores rápidos. Durante ese proceso, se identificaron determinadas limitaciones que se discutirán a lo largo de este trabajo, junto con los desarrollos que se han elaborado e implementado para la resolución de dichas dificultades. Por otra parte, se desarrolló satisfactoriamente el acomplamiento del código neutrónico ANDES con un código termo-hidráulico de subcanales llamado SUBCHANFLOW, desarrollado recientemente en el KIT. Como conclusión de esta parte, todos los desarrollos implementados son evaluados y verificados. En paralelo con esos desarrollos, se calcularon para el núcleo del ESFR las secciones eficaces en multigrupos homogeneizadas a nivel nodal, así como otros parámetros neutrónicos, mediante los códigos ERANOS, primero, y SERPENT, después. Dichos parámetros se utilizaron más adelante para realizar cálculos estacionarios con ANDES. Además, como consecuencia de la contribución de la UPM al paquete de seguridad del proyecto CP-ESFR, se calcularon mediante el código SERPENT los parámetros de cinética puntual que se necesitan introducir en los típicos códigos termo-hidráulicos de planta, para estudios de seguridad. En concreto, dichos parámetros sirvieron para el análisis del impacto que tienen los actínidos minoritarios en el comportamiento de transitorios. Concluyendo, la tesis presenta una aproximación sistemática y multidisciplinar aplicada al análisis de seguridad y comportamiento neutrónico de los reactores rápidos de sodio de la Gen-IV, usando herramientas de cálculo existentes y recién desarrolladas ad' hoc para tal aplicación. Se ha empleado una cantidad importante de tiempo en identificar limitaciones de los métodos nodales analíticos en su aplicación en multigrupos a reactores rápidos, y se proponen interesantes soluciones para abordarlas. ABSTRACT The future of nuclear reactors will depend, among other aspects, on the capability to solve the long-term challenges linked to this technology. These are the capability to provide a definite, safe and reliable solution to the nuclear wastes; the limitation of natural resources, needed to fuel the reactors; and last but not least, the improved safety, which would avoid any potential damage on the public and or environment as a consequence of any imaginable and beyond imaginable circumstance. Following these motivations, the IV Generation of nuclear reactors arises, with the aim to provide sustainable, safe, economic and proliferationresistant electricity. Among the systems considered for the Gen IV, fast reactors have a representative role thanks to their potential capacity to transmute actinides together with the optimal usage of natural resources, being the sodium fast reactors the most promising concept. As a consequence, this thesis was born in the framework of the CP-ESFR project with the generic aim of evaluating the core physics and safety of sodium fast reactors, as well as the development of the approppriated tools to perform such analyses. Indeed, in a first part of this thesis work, the main core physics of the representative sodium fast reactor are assessed, including a detailed analysis of the capability to transmute minor actinides. A part of the results obtained have been published in Annals of Nuclear Energy [96]. Moreover, by means of the analysis of a hypothetical Spanish nuclear scenario, the availability of natural resources required to deploy an specific fleet of fast reactor is assessed, taking into account the breeding properties of such systems. This work also led to a publication in Energy Conversion and Management [97]. In order to perform those and other analyses, several models of the ESFR core were created for different codes. On the other hand, in order to perform safety studies of sodium fast reactors, high fidelity multidimensional analysis tools for sodium fast reactors are required. Such tools should integrate neutronic and thermal-hydraulic phenomena in a multi-physics approach. Following this motivation, the neutron diffusion code ANDES is assessed for sodium fast reactor applications. ANDES is the nodal solver implemented inside the multigroup pin-by-pin diffusion COBAYA3 code, and is based on the analytical method ACMFD. Thus, the ACMFD was verified for SFR applications and while doing so, some limitations were encountered, which are discussed through this work. In order to solve those, some new developments are proposed and implemented in ANDES. Moreover, the code was satisfactorily coupled with the thermal-hydraulic code SUBCHANFLOW, recently developed at KIT. Finally, the different implementations are verified. In addition to those developments, the node homogenized multigroup cross sections and other neutron parameters were obtained for the ESFR core using ERANOS and SERPENT codes, and employed afterwards by ANDES to perform steady state calculations. Moreover, as a result of the UPM contribution to the safety package of the CP-ESFR project, the point kinetic parameters required by the typical plant thermal-hydraulic codes were computed for the ESFR core using SERPENT, which final aim was the assessment of the impact of minor actinides in transient behaviour. All in all, the thesis provides a systematic and multi-purpose approach applied to the assessment of safety and performance parameters of Generation-IV SFR, using existing and newly developed analytical tools. An important amount of time was employed in identifying the limitations that the analytical nodal diffusion methods present when applied to fast reactors following a multigroup approach, and interesting solutions are proposed in order to overcome them.

Elastostatics

In this chapter, we are going to describe the main features as well as the basic steps of the Boundary Element Method (BEM) as applied to elastostatic problems and to compare them with other numerical procedures. As we shall show, it is easy to appreciate the adventages of the BEM, but it is also advisable to refrain from a possible unrestrained enthusiasm, as there are also limitations to its usefulness in certain types of problems. The number of these problems, nevertheless, is sufficient to justify the interest and activity that the new procedure has aroused among researchers all over the world. Briefly speaking, the most frequently used version of the BEM as applied to elastostatics works with the fundamental solution, i.e. the singular solution of the governing equations, as an influence function and tries to satisfy the boundary conditions of the problem with the aid of a discretization scheme which consists exclusively of boundary elements. As in other numerical methods, the BEM was developed thanks to the computational possibilities offered by modern computers on totally "classical" basis. That is, the theoretical grounds are based on linear elasticity theory, incorporated long ago into the curricula of most engineering schools. Its delay in gaining popularity is probably due to the enormous momentum with which Finite Element Method (FEM) penetrated the professional and academic media. Nevertheless, the fact that these methods were developed before the BEM has been beneficial because de BEM successfully uses those results and techniques studied in past decades. Some authors even consider the BEM as a particular case of the FEM while others view both methods as special cases of the general weighted residual technique. The first paper usually cited in connection with the BEM as applied to elastostatics is that of Rizzo, even though the works of Jaswon et al., Massonet and Oliveira were published at about the same time, the reason probably being the attractiveness of the "direct" approach over the "indirect" one. The work of Tizzo and the subssequent work of Cruse initiated a fruitful period with applicatons of the direct BEM to problems of elastostacs, elastodynamics, fracture, etc. The next key contribution was that of Lachat and Watson incorporating all the FEM discretization philosophy in what is sometimes called the "second BEM generation". This has no doubt, led directly to the current developments. Among the various researchers who worked on elastostatics by employing the direct BEM, one can additionallly mention Rizzo and Shippy, Cruse et al., Lachat and Watson, Alarcón et al., Brebbia el al, Howell and Doyle, Kuhn and Möhrmann and Patterson and Sheikh, and among those who used the indirect BEM, one can additionally mention Benjumea and Sikarskie, Butterfield, Banerjee et al., Niwa et al., and Altiero and Gavazza. An interesting version of the indirct method, called the Displacement Discontinuity Method (DDM) has been developed by Crounh. A comprehensive study on various special aspects of the elastostatic BEM has been done by Heisse, while review-type articles on the subject have been reported by Watson and Hartmann. At the present time, the method is well established and is being used for the solution of variety of problems in engineering mechanics. Numerous introductory and advanced books have been published as well as research-orientated ones. In this sense, it is worth noting the series of conferences promoted by Brebbia since 1978, wich have provoked a continuous research effort all over the world in relation to the BEM. In the following sections, we shall concentrate on developing the direct BEM as applied to elastostatics.

A 2D computational parametric analysis of the sheltering effect of fences on a railway vehicle standing on a bridge and experiencing crosswinds

In a crosswind scenario, the risk of high-speed trains overturning increases when they run on viaducts since the aerodynamic loads are higher than on the ground. In order to increase safety, vehicles are sheltered by fences that are installed on the viaduct to reduce the loads experienced by the train. Windbreaks can be designed to have different heights, and with or without eaves on the top. In this paper, a parametric study with a total of 12 fence designs was carried out using a two-dimensional model of a train standing on a viaduct. To asses the relative effectiveness of sheltering devices, tests were done in a wind tunnel with a scaled model at a Reynolds number of 1 × 105, and the train’s aerodynamic coefficients were measured. Experimental results were compared with those predicted by Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) simulations of flow, showing that a computational model is able to satisfactorily predict the trend of the aerodynamic coefficients. In a second set of tests, the Reynolds number was increased to 12 × 106 (at a free flow air velocity of 30 m/s) in order to simulate strong wind conditions. The aerodynamic coefficients showed a similar trend for both Reynolds numbers; however, their numerical value changed enough to indicate that simulations at the lower Reynolds number do not provide all required information. Furthermore, the variation of coefficients in the simulations allowed an explanation of how fences modified the flow around the vehicle to be proposed. This made it clear why increasing fence height reduced all the coefficients but adding an eave had an effect mainly on the lift force coefficient. Finally, by analysing the time signals it was possible to clarify the influence of the Reynolds number on the peak-to-peak amplitude, the time period and the Strouhal number.

Minimum time control for multiphase buck converter: analysis and application

The combination of minimum time control and multiphase converter is a favorable option for dc-dc converters in applications where output voltage variation is required, such as RF amplifiers and dynamic voltage scaling in microprocessors, due to their advantage of fast dynamic response. In this paper, an improved minimum time control approach for multiphase buck converter that is based on charge balance technique, aiming at fast output voltage transition is presented. Compared with the traditional method, the proposed control takes into account the phase delay and current ripple in each phase. Therefore, by investigating the behavior of multiphase converter during voltage transition, it resolves the problem of current unbalance after the transient, which can lead to long settling time of the output voltage. The restriction of this control is that the output voltage that the converter can provide is related to the number of the phases, because only the duty cycles at which the multiphase converter has total ripple cancellation are used in this approach. The model of the proposed control is introduced, and the design constraints of the buck converters filter for this control are discussed. In order to prove the concept, a four-phase buck converter is implemented and the experimental results that validate the proposed control method are presented. The application of this control to RF envelope tracking is also presented in this paper.

A self-timed multipurpose delay sensor for field programmable gate arrays (FPGAs)

This paper presents a novel self-timed multi-purpose sensor especially conceived for Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). The aim of the sensor is to measure performance variations during the life-cycle of the device, such as process variability, critical path timing and temperature variations. The proposed topology, through the use of both combinational and sequential FPGA elements, amplifies the time of a signal traversing a delay chain to produce a pulse whose width is the sensor’s measurement. The sensor is fully self-timed, avoiding the need for clock distribution networks and eliminating the limitations imposed by the system clock. One single off- or on-chip time-to-digital converter is able to perform digitization of several sensors in a single operation. These features allow for a simplified approach for designers wanting to intertwine a multi-purpose sensor network with their application logic. Employed as a temperature sensor, it has been measured to have an error of ±0.67 °C, over the range of 20–100 °C, employing 20 logic elements with a 2-point calibration.

Controlled time of arrival feasibility analysis

Previous research studies and operational trials have shown that using the airborne Required Time of Arrival (RTA) function, an aircraft can individually achieve an assigned time to a metering or merge point accurately. This study goes a step further and investigates the application of RTA to a real sequence of arriving aircraft into Melbourne Australia. Assuming that the actual arrival times were Controlled Time of Arrivals (CTAs) assigned to each aircraft, the study examines if the airborne RTA solution would work. Three scenarios were compared: a baseline scenario being the actual flown trajectories in a two hour time-span into Melbourne, a scenario in which the sequential landing slot times of the baseline scenario were assigned as CTAs and a third scenario in which the landing slots could be freely redistributed to the inbound traffic as CTAs. The research found that pressure on the terminal area would sometimes require aircraft to lose more time than possible through the RTA capability. Using linear holding as an additional measure to absorb extensive delays, up to 500NM (5%) of total track reduction and 1300kg (3%) of total fuel consumption could be saved in the scenario with landing slots freely distributed as CTAs, compared to the baseline scenario. Assigning CTAs in an arrival sequence requires the ground system to have an accurate trajectory predictor to propose additional delay measures (path stretching, linear holding) if necessary. Reducing the achievable time window of the aircraft to add control margin to the RTA function, had a negative impact and increased the amount of intervention other than speed control required to solve the sequence. It was concluded that the RTA capability is not a complete solution but merely a tool to assist in managing the increasing complexity of air traffic.

Temporal segmentation tool for high-quality real time video editing software

The increasing use of video editing software requires faster and more efficient editing tools. As a first step, these tools perform a temporal segmentation in shots that allows a later building of indexes describing the video content. Here, we propose a novel real-time high-quality shot detection strategy, suitable for the last generation of video editing software requiring both low computational cost and high quality results. While abrupt transitions are detected through a very fast pixel-based analysis, gradual transitions are obtained from an efficient edge-based analysis. Both analyses are reinforced with a motion analysis that helps to detect and discard false detections. This motion analysis is carried out exclusively over a reduced set of candidate transitions, thus maintaining the computational requirements demanded by new applications to fulfill user needs.

Real-time determination of airspace wind speed field based on FDR = Determinación en tiempo real del campo de velocidad del viento basado en registradores de datos de vuelo

El estudio del comportamiento de la atmósfera ha resultado de especial importancia tanto en el programa SESAR como en NextGen, en los que la gestión actual del tránsito aéreo (ATM) está experimentando una profunda transformación hacia nuevos paradigmas tanto en Europa como en los EE.UU., respectivamente, para el guiado y seguimiento de las aeronaves en la realización de rutas más eficientes y con mayor precisión. La incertidumbre es una característica fundamental de los fenómenos meteorológicos que se transfiere a la separación de las aeronaves, las trayectorias de vuelo libres de conflictos y a la planificación de vuelos. En este sentido, el viento es un factor clave en cuanto a la predicción de la futura posición de la aeronave, por lo que tener un conocimiento más profundo y preciso de campo de viento reducirá las incertidumbres del ATC. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de una nueva técnica operativa y útil destinada a proporcionar de forma adecuada y directa el campo de viento atmosférico en tiempo real, basada en datos de a bordo de la aeronave, con el fin de mejorar la predicción de las trayectorias de las aeronaves. Para lograr este objetivo se ha realizado el siguiente trabajo. Se han descrito y analizado los diferentes sistemas de la aeronave que proporcionan las variables necesarias para obtener la velocidad del viento, así como de las capacidades que permiten la presentación de esta información para sus aplicaciones en la gestión del tráfico aéreo. Se ha explorado el uso de aeronaves como los sensores de viento en un área terminal para la estimación del viento en tiempo real con el fin de mejorar la predicción de las trayectorias de aeronaves. Se han desarrollado métodos computacionalmente eficientes para estimar las componentes horizontales de la velocidad del viento a partir de las velocidades de las aeronaves (VGS, VCAS/VTAS), la presión y datos de temperatura. Estos datos de viento se han utilizado para estimar el campo de viento en tiempo real utilizando un sistema de procesamiento de datos a través de un método de mínima varianza. Por último, se ha evaluado la exactitud de este procedimiento para que esta información sea útil para el control del tráfico aéreo. La información inicial proviene de una muestra de datos de Registradores de Datos de Vuelo (FDR) de aviones que aterrizaron en el aeropuerto Madrid-Barajas. Se dispuso de datos de ciertas aeronaves durante un periodo de más de tres meses que se emplearon para calcular el vector viento en cada punto del espacio aéreo. Se utilizó un modelo matemático basado en diferentes métodos de interpolación para obtener los vectores de viento en áreas sin datos disponibles. Se han utilizado tres escenarios concretos para validar dos métodos de interpolación: uno de dos dimensiones que trabaja con ambas componentes horizontales de forma independiente, y otro basado en el uso de una variable compleja que relaciona ambas componentes. Esos métodos se han probado en diferentes escenarios con resultados dispares. Esta metodología se ha aplicado en un prototipo de herramienta en MATLAB © para analizar automáticamente los datos de FDR y determinar el campo vectorial del viento que encuentra la aeronave al volar en el espacio aéreo en estudio. Finalmente se han obtenido las condiciones requeridas y la precisión de los resultados para este modelo. El método desarrollado podría utilizar los datos de los aviones comerciales como inputs utilizando los datos actualmente disponibles y la capacidad computacional, para proporcionárselos a los sistemas ATM donde se podría ejecutar el método propuesto. Estas velocidades del viento calculadas, o bien la velocidad respecto al suelo y la velocidad verdadera, se podrían difundir, por ejemplo, a través del sistema de direccionamiento e informe para comunicaciones de aeronaves (ACARS), mensajes de ADS-B o Modo S. Esta nueva fuente ayudaría a actualizar la información del viento suministrada en los productos aeronáuticos meteorológicos (PAM), informes meteorológicos de aeródromos (AIRMET), e información meteorológica significativa (SIGMET). ABSTRACT The study of the atmosphere behaviour is been of particular importance both in SESAR and NextGen programs, where the current air traffic management (ATM) system is undergoing a profound transformation to the new paradigms both in Europe and the USA, respectively, to guide and track aircraft more precisely on more efficient routes. Uncertainty is a fundamental characteristic of weather phenomena which is transferred to separation assurance, flight path de-confliction and flight planning applications. In this respect, the wind is a key factor regarding the prediction of the future position of the aircraft, so that having a deeper and accurate knowledge of wind field will reduce ATC uncertainties. The purpose of this thesis is to develop a new and operationally useful technique intended to provide adequate and direct real-time atmospheric winds fields based on on-board aircraft data, in order to improve aircraft trajectory prediction. In order to achieve this objective the following work has been accomplished. The different sources in the aircraft systems that provide the variables needed to derivate the wind velocity have been described and analysed, as well as the capabilities which allow presenting this information for air traffic management applications. The use of aircraft as wind sensors in a terminal area for real-time wind estimation in order to improve aircraft trajectory prediction has been explored. Computationally efficient methods have been developed to estimate horizontal wind components from aircraft velocities (VGS, VCAS/VTAS), pressure, and temperature data. These wind data were utilized to estimate a real-time wind field using a data processing approach through a minimum variance method. Finally, the accuracy of this procedure has been evaluated for this information to be useful to air traffic control. The initial information comes from a Flight Data Recorder (FDR) sample of aircraft landing in Madrid-Barajas Airport. Data available for more than three months were exploited in order to derive the wind vector field in each point of the airspace. Mathematical model based on different interpolation methods were used in order to obtain wind vectors in void areas. Three particular scenarios were employed to test two interpolation methods: a two-dimensional one that works with both horizontal components in an independent way, and also a complex variable formulation that links both components. Those methods were tested using various scenarios with dissimilar results. This methodology has been implemented in a prototype tool in MATLAB © in order to automatically analyse FDR and determine the wind vector field that aircraft encounter when flying in the studied airspace. Required conditions and accuracy of the results were derived for this model. The method developed could be fed by commercial aircraft utilizing their currently available data sources and computational capabilities, and providing them to ATM system where the proposed method could be run. Computed wind velocities, or ground and true airspeeds, would then be broadcasted, for example, via the Aircraft Communication Addressing and Reporting System (ACARS), ADS-B out messages, or Mode S. This new source would help updating the wind information furnished in meteorological aeronautical products (PAM), meteorological aerodrome reports (AIRMET), and significant meteorological information (SIGMET).

Time domain passivity control for delayed teleoperation

La telepesencia combina diferentes modalidades sensoriales, incluyendo, entre otras, la visual y la del tacto, para producir una sensación de presencia remota en el operador. Un elemento clave en la implementación de sistemas de telepresencia para permitir una telemanipulación del entorno remoto es el retorno de fuerza. Durante una telemanipulación, la energía mecánica es transferida entre el operador humano y el entorno remoto. En general, la energía es una propiedad de los objetos físicos, fundamental en su mutual interacción. En esta interacción, la energía se puede transmitir entre los objetos, puede cambiar de forma pero no puede crearse ni destruirse. En esta tesis, se aplica este principio fundamental para derivar un nuevo método de control bilateral que permite el diseño de sistemas de teleoperación estables para cualquier arquitectura concebible. El razonamiento parte del hecho de que la energía mecánica insertada por el operador humano en el sistema debe transferirse hacia el entorno remoto y viceversa. Tal como se verá, el uso de la energía como variable de control permite un tratamiento más general del sistema que el control convencional basado en variables específicas del sistema. Mediante el concepto de Red de Potencia de Retardo Temporal (RPRT), el problema de definir los flujos de energía en un sistema de teleoperación es solucionado con independencia de la arquitectura de comunicación. Como se verá, los retardos temporales son la principal causa de generación de energía virtual. Este hecho se observa con retardos a partir de 1 milisegundo. Esta energía virtual es añadida al sistema de forma intrínseca y representa la causa principal de inestabilidad. Se demuestra que las RPRTs son transportadoras de la energía deseada intercambiada entre maestro y esclavo pero a la vez generadoras de energía virtual debido al retardo temporal. Una vez estas redes son identificadas, el método de Control de Pasividad en el Dominio Temporal para RPRTs se propone como mecanismo de control para asegurar la pasividad del sistema, y as__ la estabilidad. El método se basa en el simple hecho de que esta energía virtual debido al retardo debe transformarse en disipación. As__ el sistema se aproxima al sistema deseado, donde solo la energía insertada desde un extremo es transferida hacia el otro. El sistema resultante presenta dos cualidades: por un lado la estabilidad del sistema queda garantizada con independencia de la arquitectura del sistema y del canal de comunicación; por el otro, el rendimiento es maximizado en términos de fidelidad de transmisión energética. Los métodos propuestos se sustentan con sistemas experimentales con diferentes arquitecturas de control y retardos entre 2 y 900 ms. La tesis concluye con un experimento que incluye una comunicación espacial basada en el satélite geoestacionario ASTRA. ABSTRACT Telepresence combines different sensorial modalities, including vision and touch, to produce a feeling of being present in a remote location. The key element to successfully implement a telepresence system and thus to allow telemanipulation of a remote environment is force feedback. In a telemanipulation, mechanical energy must convey from the human operator to the manipulated object found in the remote environment. In general, energy is a property of all physical objects, fundamental to their mutual interactions in which the energy can be transferred among the objects and can change form but cannot be created or destroyed. In this thesis, we exploit this fundamental principle to derive a novel bilateral control mechanism that allows designing stable teleoperation systems with any conceivable communication architecture. The rationale starts from the fact that the mechanical energy injected by a human operator into the system must be conveyed to the remote environment and Vice Versa. As will be seen, setting energy as the control variable allows a more general treatment of the controlled system in contrast to the more conventional control of specific systems variables. Through the Time Delay Power Network (TDPN) concept, the issue of defining the energy flows involved in a teleoperation system is solved with independence of the communication architecture. In particular, communication time delays are found to be a source of virtual energy. This fact is observed with delays starting from 1 millisecond. Since this energy is added, the resulting teleoperation system can be non-passive and thus become unstable. The Time Delay Power Networks are found to be carriers of the desired exchanged energy but also generators of virtual energy due to the time delay. Once these networks are identified, the Time Domain Passivity Control approach for TDPNs is proposed as a control mechanism to ensure system passivity and therefore, system stability. The proposed method is based on the simple fact that this intrinsically added energy due to the communication must be transformed into dissipation. Then the system becomes closer to the ambitioned one, where only the energy injected from one end of the system is conveyed to the other one. The resulting system presents two benefits: On one hand, system stability is guaranteed through passivity independently from the chosen control architecture and communication channel; on the other, performance is maximized in terms of energy transfer faithfulness. The proposed methods are sustained with a set of experimental implementations using different control architectures and communication delays ranging from 2 to 900 milliseconds. An experiment that includes a communication Space link based on the geostationary satellite ASTRA concludes this thesis.

Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

An Implemented of a Real-Time Experimental Setup for Robotic Teleoperation System

The development of this work presents the implementation of an experimental platform, which will permit to investigate on a methodology for the design and analysis of a teleoperated system, considering the delay in the communication channel. The project has been developed in partnership with the laboratory of Automatic and Robotics of the Universidad Politécnica de Madrid and the Laboratory at the Centro de Tecnologías Avanzadas de Manufactura at the Pontificia Universidad Católica del Perú. The mechanical structure of the arm that is located in the remote side has been built and the electric servomechanism has been mounted to control their movement. The experimental test of the Teleoperation system has been developed. The PC104 card commands the power interface and sensors of the DC motor of each articulation of the arm. Has developed the drives for the management of the operations of the master and the slave: send/reception of position, speed, acceleration and current data through a CAN network. The programs for the interconnection through a LAN network, between the Windows Operating System and the Real-time Operating System (QNX), has been developed. The utility of the developed platform (hardware and software) has been demonstrated.