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.

Characteristic study, its identification and self-tuned approach to control hydro-power plants

The water time constant and mechanical time constant greatly influences the power and speed oscillations of hydro-turbine-generator unit. This paper discusses the turbine power transients in response to different nature and changes in the gate position. The work presented here analyses the characteristics of hydraulic system with an emphasis on changes in the above time constants. The simulation study is based on mathematical first-, second-, third- and fourth-order transfer function models. The study is further extended to identify discrete time-domain models and their characteristic representation without noise and with noise content of 10 & 20 dB signal-to-noise ratio (SNR). The use of self-tuned control approach in minimising the speed deviation under plant parameter changes and disturbances is also discussed.

Simplified small-signal stability analysis for optimized power system architecture

The optimization of power architectures is a complex problem due to the plethora of different ways to connect various system components. This issue has been addressed by developing a methodology to design and optimize power architectures in terms of the most fundamental system features: size, cost and efficiency. The process assumes various simplifications regarding the utilized DC/DC converter models in order to prevent the simulation time to become excessive and, therefore, stability is not considered. The objective of this paper is to present a simplified method to analyze small-signal stability of a system in order to integrate it into the optimization methodology. A black-box modeling approach, applicable to commercial converters with unknown topology and components, is based on frequency response measurements enabling the system small-signal stability assessment. The applicability of passivity-based stability criterion is assessed. The stability margins are stated utilizing a concept of maximum peak criteria derived from the behavior of the impedance-based sensitivity function that provides a single number to state the robustness of the stability of a well-defined minor-loop gain.

Forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series multicore transformer

This paper presents a primary-parallel secondary-series multicore forward micro-inverter for photovoltaic AC-module application. The proposed solution changes the number of active phases depending on the grid voltage, thus enabling the usage of low-profile unitary turns ratio transformers. Therefore, the transformers are well coupled and the overall performance of the inverter is improved. Due to the multiphase solution the number of devices increases but, the current stress and losses per device are reduced contributing to an easier thermal management. Furthermore, the decoupling capacitor is split between the phases, contributing to a low-profile solution without electrolytic capacitors suitable to be mounted in the frame of a PV module.

Bidirectional multiple port dc/dc transformer based on a series resonant converter

In this paper a novel bidirectional multiple port dc/dc transformer topology is presented. The novel concept for dc/dc transformer is based on the Series Resonant Converter (SRC)topology operated at its resonant frequency point. This allows for higher switching frequency to be adopted and enables high efficiency/high power density operation. The feasibility of the proposed concept is verified on a 300W, 700 kHz three port prototype with 390V input voltage and 48V and 12V output voltages. A peak overall efficiency of 93% is measured at full load. A very good load and cross regulation characteristic of the converter is observed in the whole load range, from full load to open circuit. The sensitivity analysis of the resonant capacitance is also performed showing very slight deterioration in the converter performances when a resonant capacitor is changed ±30% of its nominal value.

Analysis and validation of a multiple output series resonant converter

In this paper a novel bidirectional multiple port dc/dc transformer topology is presented. The novel concept for dc/dc transformer is based on the Series Resonant Converter (SRC) topology operated at its resonant frequency point. This allows for higher switching frequency to be adopted and enables high efficiency/high power density operation. The feasibility of the proposed concept is verified on a 300W, 700 kHz three port prototype with 390V input voltage and 48V and 12V output voltages. A peak overall efficiency of 93% is measured at full load. A very good load and cross regulation characteristic of the converter is observed in the whole load range, from full load to open circuit. The sensitivity analysis of the resonant capacitance is also performed showing very slight deterioration in the converter performances when a resonant capacitor is changed ±30% of its nominal value.

Deviation of Cup and Propeller Anemometer Calibration Results with Air Density

The effect of air density variations on the calibration constants of several models of anemometers has been analyzed. The analysis was based on a series of calibrations between March 2003 and February 2011. Results indicate a linear behavior of both calibration constants with the air density. The effect of changes in air density on the measured wind speed by an anemometer was also studied. The results suggest that there can be an important deviation of the measured wind speed with changes in air density from the one at which the anemometer was calibrated, and therefore the need to take this effect into account when calculating wind power estimations.

Electricity price forecasting accounting for renewable energies: optimal combined forecasts

Electricity price forecasting is an interesting problem for all the agents involved in electricity market operation. For instance, every profit maximisation strategy is based on the computation of accurate one-day-ahead forecasts, which is why electricity price forecasting has been a growing field of research in recent years. In addition, the increasing concern about environmental issues has led to a high penetration of renewable energies, particularly wind. In some European countries such as Spain, Germany and Denmark, renewable energy is having a deep impact on the local power markets. In this paper, we propose an optimal model from the perspective of forecasting accuracy, and it consists of a combination of several univariate and multivariate time series methods that account for the amount of energy produced with clean energies, particularly wind and hydro, which are the most relevant renewable energy sources in the Iberian Market. This market is used to illustrate the proposed methodology, as it is one of those markets in which wind power production is more relevant in terms of its percentage of the total demand, but of course our method can be applied to any other liberalised power market. As far as our contribution is concerned, first, the methodology proposed by García-Martos et al(2007 and 2012) is generalised twofold: we allow the incorporation of wind power production and hydro reservoirs, and we do not impose the restriction of using the same model for 24h. A computational experiment and a Design of Experiments (DOE) are performed for this purpose. Then, for those hours in which there are two or more models without statistically significant differences in terms of their forecasting accuracy, a combination of forecasts is proposed by weighting the best models(according to the DOE) and minimising the Mean Absolute Percentage Error (MAPE). The MAPE is the most popular accuracy metric for comparing electricity price forecasting models. We construct the combi nation of forecasts by solving several nonlinear optimisation problems that allow computation of the optimal weights for building the combination of forecasts. The results are obtained by a large computational experiment that entails calculating out-of-sample forecasts for every hour in every day in the period from January 2007 to Decem ber 2009. In addition, to reinforce the value of our methodology, we compare our results with those that appear in recent published works in the field. This comparison shows the superiority of our methodology in terms of forecasting accuracy.

A review of load models for the prediction of footfall-induced vibration in structures

Crowd induced dynamic loading in large structures, such as gymnasiums or stadium, is usually modelled as a series of harmonic loads which are defined in terms of their Fourier coefficients. Different values of these coefficients that were obtained from full scale measurements can be found in codes. Recently, an alternative has been proposed, based on random generation of load time histories that take into account phase lag among individuals inside the crowd. This paper presents the testing done on a structure designed to be a gymnasium. Two series of dynamic test were performed on the gym slab. For the first test an electrodynamic shaker was placed at several locations and during the second one people located inside a marked area bounced and jumped guided by different metronome rates. A finite element model (FEM) is presented and a comparison of numerically predicted and experimentally observed vibration modes and frequencies has been used to assess its validity. The second group of measurements will be compared with predictions made using the FEM model and three alternatives for crowd induced load modelling.

Wide bandwidth envelope trackers with reduced switching frequency for RF power amplifier

El requerimiento de proveer alta frecuencia de datos en los modernos sistema de comunicación inalámbricos resulta en complejas señales moduladas de radio-frequencia (RF) con un gran ancho de banda y alto ratio pico-promedio (PAPR). Para garantizar la linealidad del comportamiento, los amplificadores lineales de potencia comunes funcionan típicamente entre 4 y 10 dB de back-o_ desde la máxima potencia de salida, ocasionando una baja eficiencia del sistema. La eliminación y restauración de la evolvente (EER) y el seguimiento de la evolvente (ET) son dos prometedoras técnicas para resolver el problema de la eficiencia. Tanto en EER como en ET, es complicado diseñar un amplificador de potencia que sea eficiente para señales de RF de alto ancho de banda y alto PAPR. Una propuesta común para los amplificadores de potencia es incluir un convertidor de potencia de muy alta eficiencia operando a frecuencias más altas que el ancho de banda de la señal RF. En este caso, la potencia perdida del convertidor ocasionado por la alta frecuencia desaconseja su práctica cuando el ancho de banda es muy alto. La solución a este problema es el enfoque de esta disertación que presenta dos arquitecturas de amplificador evolvente: convertidor híbrido-serie con una técnica de evolvente lenta y un convertidor multinivel basado en un convertidor reductor multifase con control de tiempo mínimo. En la primera arquitectura, una topología híbrida está compuesta de una convertidor reductor conmutado y un regulador lineal en serie que trabajan juntos para ajustar la tensión de salida para seguir a la evolvente con precisión. Un algoritmo de generación de una evolvente lenta crea una forma de onda con una pendiente limitada que es menor que la pendiente máxima de la evolvente original. La salida del convertidor reductor sigue esa forma de onda en vez de la evolvente original usando una menor frecuencia de conmutación, porque la forma de onda no sólo tiene una pendiente reducida sino también un menor ancho de banda. De esta forma, el regulador lineal se usa para filtrar la forma de onda tiene una pérdida de potencia adicional. Dependiendo de cuánto se puede reducir la pendiente de la evolvente para producir la forma de onda, existe un trade-off entre la pérdida de potencia del convertidor reductor relacionada con la frecuencia de conmutación y el regulador lineal. El punto óptimo referido a la menor pérdida de potencia total del amplificador de evolvente es capaz de identificarse con la ayuda de modelo preciso de pérdidas que es una combinación de modelos comportamentales y analíticos de pérdidas. Además, se analiza el efecto en la respuesta del filtro de salida del convertidor reductor. Un filtro de dampeo paralelo extra es necesario para eliminar la oscilación resonante del filtro de salida porque el convertidor reductor opera en lazo abierto. La segunda arquitectura es un amplificador de evolvente de seguimiento de tensión multinivel. Al contrario que los convertidores que usan multi-fuentes, un convertidor reductor multifase se emplea para generar la tensión multinivel. En régimen permanente, el convertidor reductor opera en puntos del ciclo de trabajo con cancelación completa del rizado. El número de niveles de tensión es igual al número de fases de acuerdo a las características del entrelazamiento del convertidor reductor. En la transición, un control de tiempo mínimo (MTC) para convertidores multifase es novedosamente propuesto y desarrollado para cambiar la tensión de salida del convertidor reductor entre diferentes niveles. A diferencia de controles convencionales de tiempo mínimo para convertidores multifase con inductancia equivalente, el propuesto MTC considera el rizado de corriente por cada fase basado en un desfase fijo que resulta en diferentes esquemas de control entre las fases. La ventaja de este control es que todas las corrientes vuelven a su fase en régimen permanente después de la transición para que la siguiente transición pueda empezar muy pronto, lo que es muy favorable para la aplicación de seguimiento de tensión multinivel. Además, el control es independiente de la carga y no es afectado por corrientes de fase desbalanceadas. Al igual que en la primera arquitectura, hay una etapa lineal con la misma función, conectada en serie con el convertidor reductor multifase. Dado que tanto el régimen permanente como el estado de transición del convertidor no están fuertemente relacionados con la frecuencia de conmutación, la frecuencia de conmutación puede ser reducida para el alto ancho de banda de la evolvente, la cual es la principal consideración de esta arquitectura. La optimización de la segunda arquitectura para más alto anchos de banda de la evolvente es presentada incluyendo el diseño del filtro de salida, la frecuencia de conmutación y el número de fases. El área de diseño del filtro está restringido por la transición rápida y el mínimo pulso del hardware. La rápida transición necesita un filtro pequeño pero la limitación del pulso mínimo del hardware lleva el diseño en el sentido contrario. La frecuencia de conmutación del convertidor afecta principalmente a la limitación del mínimo pulso y a las pérdidas de potencia. Con una menor frecuencia de conmutación, el ancho de pulso en la transición es más pequeño. El número de fases relativo a la aplicación específica puede ser optimizado en términos de la eficiencia global. Otro aspecto de la optimización es mejorar la estrategia de control. La transición permite seguir algunas partes de la evolvente que son más rápidas de lo que el hardware puede soportar al precio de complejidad. El nuevo método de sincronización de la transición incrementa la frecuencia de la transición, permitiendo que la tensión multinivel esté más cerca de la evolvente. Ambas estrategias permiten que el convertidor pueda seguir una evolvente con un ancho de banda más alto que la limitación de la etapa de potencia. El modelo de pérdidas del amplificador de evolvente se ha detallado y validado mediante medidas. El mecanismo de pérdidas de potencia del convertidor reductor tiene que incluir las transiciones en tiempo real, lo cual es diferente del clásico modelos de pérdidas de un convertidor reductor síncrono. Este modelo estima la eficiencia del sistema y juega un papel muy importante en el proceso de optimización. Finalmente, la segunda arquitectura del amplificador de evolvente se integra con el amplificador de clase F. La medida del sistema EER prueba el ahorro de energía con el amplificador de evolvente propuesto sin perjudicar la linealidad del sistema. ABSTRACT The requirement of delivering high data rates in modern wireless communication systems results in complex modulated RF signals with wide bandwidth and high peak-to-average ratio (PAPR). In order to guarantee the linearity performance, the conventional linear power amplifiers typically work at 4 to 10 dB back-off from the maximum output power, leading to low system efficiency. The envelope elimination and restoration (EER) and envelope tracking (ET) are two promising techniques to overcome the efficiency problem. In both EER and ET, it is challenging to design efficient envelope amplifier for wide bandwidth and high PAPR RF signals. An usual approach for envelope amplifier includes a high-efficiency switching power converter operating at a frequency higher than the RF signal's bandwidth. In this case, the power loss of converter caused by high switching operation becomes unbearable for system efficiency when signal bandwidth is very wide. The solution of this problem is the focus of this dissertation that presents two architectures of envelope amplifier: a hybrid series converter with slow-envelope technique and a multilevel converter based on a multiphase buck converter with the minimum time control. In the first architecture, a hybrid topology is composed of a switched buck converter and a linear regulator in series that work together to adjust the output voltage to track the envelope with accuracy. A slow envelope generation algorithm yields a waveform with limited slew rate that is lower than the maximum slew rate of the original envelope. The buck converter's output follows this waveform instead of the original envelope using lower switching frequency, because the waveform has not only reduced slew rate but also reduced bandwidth. In this way, the linear regulator used to filter the waveform has additional power loss. Depending on how much reduction of the slew rate of envelope in order to obtain that waveform, there is a trade-off between the power loss of buck converter related to the switching frequency and the power loss of linear regulator. The optimal point referring to the lowest total power loss of this envelope amplifier is identified with the help of a precise power loss model that is a combination of behavioral and analytic loss model. In addition, the output filter's effect on the response is analyzed. An extra parallel damping filter is needed to eliminate the resonant oscillation of output filter L and C, because the buck converter operates in open loop. The second architecture is a multilevel voltage tracking envelope amplifier. Unlike the converters using multi-sources, a multiphase buck converter is employed to generate the multilevel voltage. In the steady state, the buck converter operates at complete ripple cancellation points of duty cycle. The number of the voltage levels is equal to the number of phases according the characteristics of interleaved buck converter. In the transition, a minimum time control (MTC) for multiphase converter is originally proposed and developed for changing the output voltage of buck converter between different levels. As opposed to conventional minimum time control for multiphase converter with equivalent inductance, the proposed MTC considers the current ripple of each phase based on the fixed phase shift resulting in different control schemes among the phases. The advantage of this control is that all the phase current return to the steady state after the transition so that the next transition can be triggered very soon, which is very favorable for the application of multilevel voltage tracking. Besides, the control is independent on the load condition and not affected by the unbalance of phase current. Like the first architecture, there is also a linear stage with the same function, connected in series with the multiphase buck converter. Since both steady state and transition state of the converter are not strongly related to the switching frequency, it can be reduced for wide bandwidth envelope which is the main consideration of this architecture. The optimization of the second architecture for wider bandwidth envelope is presented including the output filter design, switching frequency and the number of phases. The filter design area is restrained by fast transition and the minimum pulse of hardware. The fast transition needs small filter but the minimum pulse of hardware limitation pushes the filter in opposite way. The converter switching frequency mainly affects the minimum pulse limitation and the power loss. With lower switching frequency, the pulse width in the transition is smaller. The number of phases related to specific application can be optimized in terms of overall efficiency. Another aspect of optimization is improving control strategy. Transition shift allows tracking some parts of envelope that are faster than the hardware can support at the price of complexity. The new transition synchronization method increases the frequency of transition, allowing the multilevel voltage to be closer to the envelope. Both control strategies push the converter to track wider bandwidth envelope than the limitation of power stage. The power loss model of envelope amplifier is detailed and validated by measurements. The power loss mechanism of buck converter has to include the transitions in real time operation, which is different from classical power loss model of synchronous buck converter. This model estimates the system efficiency and play a very important role in optimization process. Finally, the second envelope amplifier architecture is integrated with a Class F amplifier. EER system measurement proves the power saving with the proposed envelope amplifier without disrupting the linearity performance.

Transformación de series numéricas temporales en secuencias simbólicas

El Trabajo de Fin de Grado aborda el tema del Descubrimiento de Conocimiento en series numéricas temporales, abordando el análisis de las mismas desde el punto de vista de la semántica de las series. La gran mayoría de trabajos realizados hasta la fecha en el campo del análisis de series temporales proponen el análisis numérico de los valores de la serie, lo que permite obtener buenos resultados pero no ofrece la posibilidad de formular las conclusiones de forma que se puedan justificar e interpretar los resultados obtenidos. Por ello, en este trabajo se pretende crear una aplicación que permita realizar el análisis de las series temporales desde un punto de vista cualitativo, en contraposición al tradicional método cuantitativo. De esta forma, quedarán recogidos todos los elementos relevantes de la serie temporal que puedan servir de estudio en un futuro. Para abordar el objetivo propuesto se plantea un mecanismo para extraer de la serie temporal la información que resulta de interés para su análisis. Para poder hacerlo, primero se formaliza el conjunto de comportamientos relevantes del dominio, que serán los símbolos a mostrar en la salida de la aplicación. Así, el método que se ha diseñado e implementado transformará una serie temporal numérica en una secuencia simbólica que recoge toda la semántica de la serie temporal de partida y resulta más intuitiva y fácil de interpretar. Una vez que se dispone de un mecanismo para transformar las series numéricas en secuencias simbólicas, se pueden plantear todas las tareas de análisis sobre dichas secuencias de símbolos. En este trabajo, aunque no se entra en este post-análisis de estas series, sí se plantean distintos campos en los que se puede avanzar en el futuro. Por ejemplo, se podría hacer una medida de la similitud entre dos secuencias simbólicas como punto de partida para la tarea de comparación o la creación de modelos de referencia para análisis posteriores de las series temporales. ---ABSTRACT---This Final-year Project deals with the topic of Knowledge Discovery in numerical time series, addressing time series analysis from the viewpoint of the semantics of the series. Most of the research conducted to date in the field of time series analysis recommends analysing the values of the series numerically. This provides good results but prevents the conclusions from being formulated to allow justification and interpretation of the results. Thus, the purpose of this project is to create an application that allows the analysis of time series, from a qualitative point of view rather than a quantitative one. This way, all the relevant elements of the time series will be gathered for future studies. The design of a mechanism to extract the information that is of interest from the time series is the first step towards achieving the proposed objective. To do this, all the key behaviours in the domain are set, which will be the symbols shown in the output. The designed and implemented method transforms a numerical time series into a symbolic sequence that takes in all the semantics of the original time series and is more intuitive and easier to interpret. Once a mechanism for transforming the numerical series into symbolic sequences is created, the symbolic sequences are ready for analysis. Although this project does not cover a post-analysis of these series, it proposes different fields in which research can be done in the future. For instance, comparing two different sequences to measure the similarities between them, or the creation of reference models for further analysis of time series.

Síntesis de series temporales de centelleo troposférico

Los sistemas de telecomunicación que trabajan en frecuencias milimétricas pueden verse severamente afectados por varios fenómenos atmosféricos, tales como la atenuación por gases, nubes y el centelleo troposférico. Una adecuada caracterización es imprescindible en el diseño e implementación de estos sistemas. El presente Proyecto Fin de Grado tiene como objetivo el estudio estadístico a largo plazo de series temporales de centelleo troposférico en enlaces de comunicaciones en trayecto inclinado sobre la banda Ka a 19,7 GHz. Para la realización de este estudio, se dispone como punto de partida de datos experimentales procedentes de la baliza en banda Ka a 19,7 GHz del satélite Eutelsat Hot Bird 13A que han sido recopilados durante siete años entre julio de 2006 y junio de 2013. Además, se cuenta como referencia teórica con la aplicación práctica del método UIT-R P.618-10 para el modelado del centelleo troposférico en sistemas de telecomunicación Tierra-espacio. Esta información permite examinar la validez de la aplicación práctica del método UIT-R P.1853-1 para la síntesis de series temporales de centelleo troposférico. Sobre este sintetizador se variará la serie temporal de contenido integrado de vapor de agua en una columna vertical por datos reales obtenidos de bases de datos meteorológicas ERA-Interim y GNSS con el objetivo de comprobar el impacto de este cambio. La primera parte del Proyecto comienza con la exposición de los fundamentos teóricos de los distintos fenómenos que afectan a la propagación en un enlace por satélite, incluyendo los modelos de predicción más importantes. Posteriormente, se presentan los fundamentos teóricos que describen las series temporales, así como su aplicación al modelado de enlaces de comunicaciones. Por último, se describen los recursos específicos empleados en la realización del experimento. La segunda parte del Proyecto se inicia con la muestra del proceso de análisis de los datos disponibles que, más tarde, permiten obtener resultados que caracterizan el centelleo troposférico en ausencia de precipitación, o centelleo seco, para los tres casos de estudio sobre los datos experimentales, sobre el modelo P.618-10 y sobre el sintetizador P.1853-1 con sus modificaciones. Al haber mantenido en todo momento las mismas condiciones de frecuencia, localización, clima y periodo de análisis, el estudio comparativo de los resultados obtenidos permite extraer las conclusiones oportunas y proponer líneas futuras de investigación. ABSTRACT. Telecommunication systems working in the millimetre band are severely affected by various atmospheric impairments, such as attenuation due to clouds, gases and tropospheric scintillation. An adequate characterization is essential in the design and implementation of these systems. This Final Degree Project aims to a long-term statistical study of time series of tropospheric scintillation on slant path communications links in Ka band at 19.7 GHz. To carry out this study, experimental data from the beacon in Ka band at 19.7 GHz for the Eutelsat Hot Bird 13A satellite are available as a starting point. These data have been collected during seven years between July 2006 and June 2013. In addition, the practical application of the ITU-R P.618-10 method for tropospheric scintillation modeling of Earth-space telecommunication systems has been the theoretical reference used. This information allows us to examine the validity of the practical application of the ITU-R P.1853-1 method for tropospheric scintillation time series synthesis. In this synthesizer, the time series of water vapor content in a vertical column will be substituted by actual data from meteorological databases ERA-Interim and GNSS in order to test the impact of this change. The first part of the Project begins with the exposition of the theoretical foundations of the various impairments that affect propagation in a satellite link, including the most important prediction models. Subsequently, it presents the theoretical foundations that describe the time series, and its application to communication links modeling. Finally, the specific resources used in the experiment are described. The second part of the Project starts with the exhibition of the data analysis process to obtain results that characterize the tropospheric scintillation in the absence of precipitation, or dry scintillation, for the three study cases on the experimental data, on the P.618-10 model and on the P.1853-1 synthesizer with its modifications. The fact that the same conditions of frequency, location, climate and period of analysis are always maintained, allows us to draw conclusions and propose future research lines by comparing the results.

Cooperative Multi-robot Patrolling: A study of distributed approaches based on mathematical models of game theory to protect infrastructures

El principio de Teoría de Juegos permite desarrollar modelos estocásticos de patrullaje multi-robot para proteger infraestructuras criticas. La protección de infraestructuras criticas representa un gran reto para los países al rededor del mundo, principalmente después de los ataques terroristas llevados a cabo la década pasada. En este documento el termino infraestructura hace referencia a aeropuertos, plantas nucleares u otros instalaciones. El problema de patrullaje se define como la actividad de patrullar un entorno determinado para monitorear cualquier actividad o sensar algunas variables ambientales. En esta actividad, un grupo de robots debe visitar un conjunto de puntos de interés definidos en un entorno en intervalos de tiempo irregulares con propósitos de seguridad. Los modelos de partullaje multi-robot son utilizados para resolver este problema. Hasta el momento existen trabajos que resuelven este problema utilizando diversos principios matemáticos. Los modelos de patrullaje multi-robot desarrollados en esos trabajos representan un gran avance en este campo de investigación. Sin embargo, los modelos con los mejores resultados no son viables para aplicaciones de seguridad debido a su naturaleza centralizada y determinista. Esta tesis presenta cinco modelos de patrullaje multi-robot distribuidos e impredecibles basados en modelos matemáticos de aprendizaje de Teoría de Juegos. El objetivo del desarrollo de estos modelos está en resolver los inconvenientes presentes en trabajos preliminares. Con esta finalidad, el problema de patrullaje multi-robot se formuló utilizando conceptos de Teoría de Grafos, en la cual se definieron varios juegos en cada vértice de un grafo. Los modelos de patrullaje multi-robot desarrollados en este trabajo de investigación se han validado y comparado con los mejores modelos disponibles en la literatura. Para llevar a cabo tanto la validación como la comparación se ha utilizado un simulador de patrullaje y un grupo de robots reales. Los resultados experimentales muestran que los modelos de patrullaje desarrollados en este trabajo de investigación trabajan mejor que modelos de trabajos previos en el 80% de 150 casos de estudio. Además de esto, estos modelos cuentan con varias características importantes tales como distribución, robustez, escalabilidad y dinamismo. Los avances logrados con este trabajo de investigación dan evidencia del potencial de Teoría de Juegos para desarrollar modelos de patrullaje útiles para proteger infraestructuras. ABSTRACT Game theory principle allows to developing stochastic multi-robot patrolling models to protect critical infrastructures. Critical infrastructures protection is a great concern for countries around the world, mainly due to terrorist attacks in the last decade. In this document, the term infrastructures includes airports, nuclear power plants, and many other facilities. The patrolling problem is defined as the activity of traversing a given environment to monitoring any activity or sensing some environmental variables If this activity were performed by a fleet of robots, they would have to visit some places of interest of an environment at irregular intervals of time for security purposes. This problem is solved using multi-robot patrolling models. To date, literature works have been solved this problem applying various mathematical principles.The multi-robot patrolling models developed in those works represent great advances in this field. However, the models that obtain the best results are unfeasible for security applications due to their centralized and predictable nature. This thesis presents five distributed and unpredictable multi-robot patrolling models based on mathematical learning models derived from Game Theory. These multi-robot patrolling models aim at overcoming the disadvantages of previous work. To this end, the multi-robot patrolling problem was formulated using concepts of Graph Theory to represent the environment. Several normal-form games were defined at each vertex of a graph in this formulation. The multi-robot patrolling models developed in this research work have been validated and compared with best ranked multi-robot patrolling models in the literature. Both validation and comparison were preformed by using both a patrolling simulator and real robots. Experimental results show that the multirobot patrolling models developed in this research work improve previous ones in as many as 80% of 150 cases of study. Moreover, these multi-robot patrolling models rely on several features to highlight in security applications such as distribution, robustness, scalability, and dynamism. The achievements obtained in this research work validate the potential of Game Theory to develop patrolling models to protect infrastructures.

Towards cost reduction in concentrating solar power: innovative design for an efficient fresnel based solar field

Energía termosolar (de concentración) es uno de los nombres que hacen referencia en español al término inglés “concentrating solar power”. Se trata de una tecnología basada en la captura de la potencia térmica de la radiación solar, de forma que permita alcanzar temperaturas capaces de alimentar un ciclo termodinámico convencional (o avanzado); el futuro de esta tecnología depende principalmente de su capacidad para concentrar la radiación solar de manera eficiente y económica. La presente tesis está orientada hacia la resolución de ciertos problemas importantes relacionados con este objetivo. La mencionada necesidad de reducir costes en la concentración de radiación solar directa, asegurando el objetivo termodinámico de calentar un fluido hasta una determinada temperatura, es de vital importancia. Los colectores lineales Fresnel han sido identificados en la literatura científica como una tecnología con gran potencial para alcanzar esta reducción de costes. Dicha tecnología ha sido seleccionada por numerosas razones, entre las que destacan su gran libertad de diseño y su actual estado inmaduro. Con el objetivo de responder a este desafío se desarrollado un detallado estudio de las propiedades ópticas de los colectores lineales Fresnel, para lo cual se han utilizado métodos analíticos y numéricos de manera combinada. En primer lugar, se han usado unos modelos para la predicción de la localización y la irradiación normal directa del sol junto a unas relaciones analíticas desarrolladas para estudiar el efecto de múltiples variables de diseño en la energía incidente sobre los espejos. Del mismo modo, se han obtenido analíticamente los errores debidos al llamado “off-axis aberration”, a la apertura de los rayos reflejados en los espejos y a las sombras y bloqueos entre espejos. Esto ha permitido la comparación de diferentes formas de espejo –planos, circulares o parabólicos–, así como el diseño preliminar de la localización y anchura de los espejos y receptor sin necesidad de costosos métodos numéricos. En segundo lugar, se ha desarrollado un modelo de trazado de rayos de Monte Carlo con el objetivo de comprobar la validez del estudio analítico, pero sobre todo porque este no es preciso en el estudio de la reflexión en espejos. El código desarrollado está específicamente ideado para colectores lineales Fresnel, lo que ha permitido la reducción del tiempo de cálculo en varios órdenes de magnitud en comparación con un programa comercial más general. Esto justifica el desarrollo de un nuevo código en lugar de la compra de una licencia de otro programa. El modelo ha sido usado primeramente para comparar la intensidad de flujo térmico y rendimiento de colectores Fresnel, con y sin reflector secundario, con los colectores cilíndrico parabólicos. Finalmente, la conjunción de los resultados obtenidos en el estudio analítico con el programa numérico ha sido usada para optimizar el campo solar para diferentes orientaciones –Norte-Sur y Este-Oeste–, diferentes localizaciones –Almería y Aswan–, diferentes inclinaciones hacia el Trópico –desde 0 deg hasta 32 deg– y diferentes mínimos de intensidad del flujo en el centro del receptor –10 kW/m2 y 25 kW/m2–. La presente tesis ha conducido a importantes descubrimientos que deben ser considerados a la hora de diseñar un campo solar Fresnel. En primer lugar, los espejos utilizados no deben ser plano, sino cilíndricos o parabólicos, ya que los espejos curvos implican mayores concentraciones y rendimiento. Por otro lado, se ha llegado a la conclusión de que la orientación Este-Oeste es más propicia para localizaciones con altas latitudes, como Almería, mientras que en zonas más cercanas a los trópicos como Aswan los campos Norte-Sur conducen a mayores rendimientos. Es de destacar que la orientación Este-Oeste requiere aproximadamente la mitad de espejos que los campos Norte-Sur, puediendo estar inclinados hacia los Trópicos para mejorar el rendimiento, y que alcanzan parecidos valores de intensidad térmica en el receptor todos los días a mediodía. Sin embargo, los campos con orientación Norte-Sur permiten un flujo más constante a lo largo de un día. Por último, ha sido demostrado que el uso de diseños pre-optimizados analíticamente, con anchura de espejos y espaciado entre espejos variables a lo ancho del campo, pueden implicar aumentos de la energía generada por metro cuadrado de espejos de hasta el 6%. El rendimiento óptico anual de los colectores cilíndrico parabólicos es 23 % mayor que el rendimiento de los campos Fresnel en Almería, mientras que la diferencia es de solo 9 % en Aswan. Ello implica que, para alcanzar el mismo precio de electricidad que la tecnología de referencia, la reducción de costes de instalación por metro cuadrado de espejo debe estar entre el 10 % y el 25 %, y que los colectores lineales Fresnel tienen más posibilidades de ser desarrollados en zonas de bajas latitudes. Como consecuencia de los estudios desarrollados en esta tesis se ha patentado un sistema de almacenamiento que tiene en cuenta la variación del flujo térmico en el receptor a lo largo del día, especialmente para campos con orientación Este-Oeste. Este invento permitiría el aprovechamiento de la energía incidente durante más parte del año, aumentando de manera apreciable los rendimientos óptico y térmico. Abstract Concentrating solar power is the common name of a technology based on capturing the thermal power of solar radiation, in a suitable way to reach temperatures able to activate a conventional (or advanced) thermodynamic cycle to generate electricity; this quest mainly depends on our ability to concentrate solar radiation in a cheap and efficient way. The present thesis is focused to highlight and help solving some of the important issues related to this problem. The need of reducing costs in concentrating the direct solar radiation, but without jeopardizing the thermodynamic objective of heating a fluid up to the required temperature, is of prime importance. Linear Fresnel collectors have been identified in the scientific literature as a technology with high potential to reach this cost reduction. This technology has been selected because of a number of reasons, particularly the degrees of freedom of this type of concentrating configuration and its current immature state. In order to respond to this challenge, a very detailed exercise has been carried out on the optical properties of linear Fresnel collectors. This has been done combining analytic and numerical methods. First, the effect of the design variables on the ratio of energy impinging onto the reflecting surface has been studied using analytically developed equations, together with models that predict the location and direct normal irradiance of the sun at any moment. Similarly, errors due to off-axis aberration, to the aperture of the reflected energy beam and to shading and blocking effects have been obtained analytically. This has allowed the comparison of different shapes of mirrors –flat, cylindrical or parabolic–, as well as a preliminary optimization of the location and width of mirrors and receiver with no need of time-consuming numerical models. Second, in order to prove the validity of the analytic results, but also due to the fact that the study of the reflection process is not precise enough when using analytic equations, a Monte Carlo Ray Trace model has been developed. The developed code is designed specifically for linear Fresnel collectors, which has reduced the computing time by several orders of magnitude compared to a wider commercial software. This justifies the development of the new code. The model has been first used to compare radiation flux intensities and efficiencies of linear Fresnel collectors, both multitube receiver and secondary reflector receiver technologies, with parabolic trough collectors. Finally, the results obtained in the analytic study together with the numeric model have used in order to optimize the solar field for different orientations –North-South and East-West–, different locations –Almería and Aswan–, different tilts of the field towards the Tropic –from 0 deg to 32 deg– and different flux intensity minimum requirements –10 kW/m2 and 25 kW/m2. This thesis work has led to several important findings that should be considered in the design of Fresnel solar fields. First, flat mirrors should not be used in any case, as cylindrical and parabolic mirrors lead to higher flux intensities and efficiencies. Second, it has been concluded that, in locations relatively far from the Tropics such as Almería, East-West embodiments are more efficient, while in Aswan North- South orientation leads to a higher annual efficiency. It must be noted that East-West oriented solar fields require approximately half the number of mirrors than NS oriented fields, can be tilted towards the Equator in order to increase the efficiency and attain similar values of flux intensity at the receiver every day at midday. On the other hand, in NS embodiments the flux intensity is more even during each single day. Finally, it has been proved that the use of analytic designs with variable shift between mirrors and variable width of mirrors across the field can lead to improvements in the electricity generated per reflecting surface square meter up to 6%. The annual optical efficiency of parabolic troughs has been found to be 23% higher than the efficiency of Fresnel fields in Almería, but it is only around 9% higher in Aswan. This implies that, in order to attain the same levelized cost of electricity than parabolic troughs, the required reduction of installation costs per mirror square meter is in the range of 10-25%. Also, it is concluded that linear Fresnel collectors are more suitable for low latitude areas. As a consequence of the studies carried out in this thesis, an innovative storage system has been patented. This system takes into account the variation of the flux intensity along the day, especially for East-West oriented solar fields. As a result, the invention would allow to exploit the impinging radiation along longer time every day, increasing appreciably the optical and thermal efficiencies.

Influencia de un nuevo marco jurídico en la competitividad del sistema portuario español

El sistema portuario español movió en el año 2013 aproximadamente 458,54 millones de toneladas, 13,8 millones de TEUs, con un total de 131.128 buques que accedieron a puerto para el conjunto de las 28 Autoridades Portuarias. Con el 62% de las exportaciones y el 86% de las importaciones realizadas por vía marítima, una rentabilidad del 2,34 %, muy cerca del objetivo del 2,5 % de rentabilidad media annual establecida legalmente, y una cifra de negocios aproximada de 1.028 millones de euros equivalentes al 1,1 % del PIB que genera un empleo directo e indirecto vinculado de 145.000 personas, concluimos que estamos hablando de un sector estratégico para la economía del país. Desde hace décadas, en muchos puertos del mundo se han venido desarrollando terminales “hub” o de concentración y distribución de cargas. Las navieras concentran entre este tipo de terminales sus líneas transoceánicas con buques de enormes dimensiones y capacidad de carga para producir los tránsitos de contenedores desde estas líneas a otras líneas llamadas “feeder”, con buques de menor tamaño que enlazan el “hub” con los puertos de su área marítima de influencia. La excepcional ubicación geoestratégica de España, con aproximadamente ocho mil kilómetros de costa, ha originado que los puertos españoles de mayor dimensión aspiren a incorporarse a esta red marítima internacional de contenedores y determina que en nuestro sistema portuario los movimientos de contenedores de tránsito tengan gran importancia. Sin embargo, la crisis económica ha tenido un efecto decisivo en el sector marítimo, determinando una lucha feroz entre todos los puertos, nacionales e internacionales, por captar este tipo de tráficos, lo que origina una búsqueda de las compañías navieras de puertos cada vez más eficientes en términos calidad/coste del servicio. La entrada en vigor del Texto Refundido de la Ley de Puertos y la piedra angular de su reforma, la Ley 33/2010, plantea como objetivo principal la mejora de la competitividad del sistema portuario español y liderar su recuperación, ofreciendo unas condiciones de entorno favorables a los puertos españoles que acaben por incentivar la captación de tráficos e inversión privada a través de una oferta de servicios e infraestructura de calidad y a precios competitivos que consoliden su posición dentro del tráfico marítimo mundial. Surge, por tanto, la conveniencia de investigar la influencia de las medidas propuestas por dicha norma legal y las soluciones ofrecidas a las demandas de un sector considerado estratégico para la economía del país, y cuya resolución se considera imprescindible para consolidar su recuperación. Por eso, se han analizado los aspectos más importantes de la reforma mediante la realización de un resumen ejecutivo y se ha estudiado la influencia de las medidas que incorpora desde el punto de vista de tres factores, que previamente se han considerado como fundamentales para la recuperación del sistema portuario español, y que históricamente habían sido demandados por el mismo, como son, en primer lugar, un progresivo sistema de flexibilización tributaria que permitiera a los puertos españoles ganar en términos de competitividad respecto a otros modelos portuarios mucho más flexibles en materia tarifaria, en segundo lugar, una necesaria liberalización del régimen de prestación de los servicios portuarios que posibilite el libre acceso a cualquier interesado en su prestación y, en último lugar, el progresivo abaratamiento de los costes inherentes a dichos servicios, fundamentalmente la manipulación de mercancías. Con posterioridad se ha investigado el trámite parlamentario al que se ha sometido la ley, fruto del enorme consenso alcanzado entre las dos principales fuerzas políticas del país, que determinó que se presentaran más de 700 enmiendas al proyecto original, y en algunos casos, se ha prestado especial atención a determinadas enmiendas que se consideran, en opinión de este investigador, novedosas y aventuradas, razón por la cual quizás no fueron incorporadas definitivamente al texto legal. Y se han analizado las principales demandas y aportaciones extraídas de la Sesión Informativa sobre la tramitación del entonces proyecto de ley ofrecida por la Comisión de Fomento del Congreso de los Diputados a los principales representantes del sector, comunidad portuaria, universidad y sindicatos. Siendo conscientes de la incidencia que tiene el servicio portuario de manipulación de mercancías en el paso de la mercancía por el puerto, se ha hecho una referencia concreta al peculiar régimen jurídico y laboral del personal vinculado al servicio. Avanzamos que las características de la relación laboral especial, y su peculiar régimen jurídico, con una dualidad de relaciones laborales, tiene una influencia decisiva en la nómina del trabajador que se repercute en los usuarios del servicio, fundamentalmente el naviero y el operador de la terminal, que en definitiva, incide en la competitividad del puerto. Y se ha constatado el auge aperturista de numerosas legislaciones portuarias europeas, prestando especial atención al proyecto frustrado de liberalización de los servicios portuarios en la Unión Europea de la conocida como Directiva Loyola de Palacio del año 2003 y al Libro Blanco de Transportes del año 2011. Así como a las deficiencias advertidas por el Dictamen de la Comisión Europea de fecha 27/09/2012 en relación al régimen jurídico del servicio portuario de manipulación de mercancías, que lo considera disconforme y contrario con las normas de libertad de establecimiento en Europa y que amenaza con una previsible reforma unilateral de la legislación portuaria española, a instancias europeas. Bajo este planteamiento, se ha procedido a analizar el marco de prestación de dichos servicios desde el punto de vista de la propia comunidad portuaria. Inicialmente, a través de un estudio de fuerzas de la competitividad del sector de los servicios portuarios en el sistema portuario español que nos permitirá trazar un mapa estratégico del mismo a través del “Modelo de las Cinco Fuerzas de Porter” concluyendo, que el poder de los prestadores de servicios portuarios como proveedores de los mismos, fundamentalmente en la manipulación de mercancías, es máximo, con un único colectivo, los estibadores portuarios, que al amparo de la normativa legal vigente tienen la exclusividad de su prestación. Dichas circunstancias restan competitividad al sistema frente a alternativas portuarias más flexibles y desincentivan la inversión privada. Y, en segundo lugar, mediante un proceso participativo en distintas encuestas sobre el modelo legislativo y sobre el marco formativo del sector con los propios agentes afectados dentro de la comunidad portuaria, desde la triple perspectiva de la vertiente pública que representan las Autoridades Portuarias, como gestores de las infraestructuras, la vertiente privada que representan los usuarios y prestadores de servicios, como principal cliente del puerto y desde el punto de vista de la propia mano de obra portuaria materializada en la representación sindical de dichos trabajadores. Los resultados nos permitirán concluir, respectivamente, la incidencia del servicio portuario mercancía por el puerto, por representar más de la mitad de los costes. Así como la aspiración de los trabajadores adscritos a dicho servicio de consolidar un título formativo que unifique y potencie su capacitación profesional, circunstancia esta última, también demandada por toda comunidad portuaria. Analizadas las conclusiones extraídas en cada una de las líneas de investigación se han detectado una serie de ineficiencias dentro del mismo que dicho marco regulador no ha sabido resolver, por lo que se ha considerado la conveniencia de formular, como herramienta de ayuda a gestores del sistema portuario español, una relación de medidas que, en opinión de este investigador, se consideran necesarias para mejorar el régimen de prestación de los servicios portuarios y se ha propuesto un borrador de modificación del actual Texto Refundido que pueda servir de base para materializar una futura reforma legal. Las conclusiones obtenidas en la investigación deben sentar las bases de una profunda reflexión sobre la necesidad de encaminar, como alternativa a una previsible modificación a instancias europeas, una reforma legal que decididamente apueste por la competitividad del sistema portuario español desde el punto de vista de la liberalización de servicios, el abaratamiento de los costes de la estiba y la necesaria profesionalización de los trabajadores adscritos al servicio portuario de manipulación de mercancías. During 2013 the Spanish Port System moved nearly 458,54 million tons of freight, 13,8 million TEUs, involving a total of 131.128 ships for the 28 existing Port Authorities. With 62% of exports and 86% of imports made through sea transportation, a 2,34% profit, close to the 2,5% average annual profit goal legally established, revenues of 1.028 million € equivalent to a 1.1% of Spain’s GDP and a figure of 145.000 people a directly or indirectly employed we can conclude that maritime industry is undoubtedly one of the strategic and key sectors for the country’s economy. Since several decades many ports in the world have been increasingly developing “Hub” terminals, those which concentrate and distribute freight. Shipping companies place among these type of terminals their transoceanic sea liners along with huge dimension & capacity ships to make the container transit from these liners to other called “feeder” which are smaller freight ships that connect the “hub” with the ports within its maritime area of influence. Spain’s exceptional geostrategic location with over 8.000 km of coastline has originated that those big dimension Spanish ports aspire to become a part of a container international maritime network which also determines that transit container move is key within our port system. Nevertheless the economic crisis has had a decisive impact on the maritime sector originating a fierce battle between all ports, national and international ones, all of them fight against each other to catch this type of maritime traffic which triggers an ongoing shipping companies search in cost/service quality efficient ports. The cornerstone of the Restated Text of Port Law is Law 33/2010, which lays out as main goal the Spanish Port System competitiveness improvement and lead its recovery offering favorable environment conditions to Spanish ports which help encourage maritime traffic attraction and private investment through a wide offer of services, quality of infrastructure and competitive prices which can consolidate its positioning within the world’s maritime traffic. It is therefore key to investigate the influence of the measures proposed by the above mentioned law and also the solutions offered to the demands of a sector which is considered strategic for the country’s economy and which solution is essential to consolidate the recovery. It is because of this that the most important aspects of the reform have been analyzed through the making of an executive summary and it has also been studied the influence of the measures it includes from the point of view of three factors which have previously been considered as key for the Spanish port system recovery. The system has historically demanded a progressive tax flexibility, which would permit Spanish ports be more competitive compared to other port models much more flexible in rates, a necessary liberalization of the port service provision regime and last but not least, to cut the price of costs related to those services, mainly freight handling. Following this, the parliamentary process of the law has also been studied as a consequence of the vast consensus reached by the main political forces in the country which clearly determined that more than 700 amendments to the original project were presented. In some cases the focus has been on amendments which are adventurous and new, reason why they were finally not included to the final legal text. Being well aware of the importance that freight handling procedure has, I have made a specific reference to the legal and working framework of those employees related to this service. We conclude that the special working relationship, its different legal regime, along with the working relationship dualism has a big impact and decisive influence over the worker’s salary which also affects service users, mainly shipowners and terminal operators, having a bad effect on the port’s competitiveness. The above confirms the new opening trend of main European port laws with special attention to the frustrated European Union port services liberalization project, also known as Directive Loyola de Palacio (2003) and the White Paper on Transports (2011). It is important to highlight that the European Commission has also observed several deficiencies with regard to the freight handling port service Law Regime being in disagreement with it, considering it is against the free establishment rules in Europe. The Commission is likely to present a unilateral reform to the Spanish Port Law. Under this approach the service provision framework is being analyzed from the Port Community point of view. Initially the analysis will focus on the study of the competition forces within the port services industry in Spain, this will allow us to draw up an strategic map through “Porter’s Five Forces Model” concluding that the power of port services providers as freight handlers is maximum, with an only collective, stevedores, which has the exclusivity for their services. All these circumstances not only decrease the system’s competitiveness versus other more flexible but also restrain private investments. Secondly, through a participating procedure in different surveys about the legislative model and about the training framework with the affected agents within the port community, there is a triple perspective: Public point of view represented by Port Authorities as infrastructure managers, Private point of view represented by users and service suppliers as main Port’s customer and finally, port workforce, represented by union leaders. Results will let us conclude that freight handling service is the most critical port service and represents more than half of the costs. This service related workers aspire to obtain a training certificate that unifies and boosts their professional role which is also chased by the entire port community. Once conclusions have been analyzed for all research lines, several deficiencies have been found and the regulatory framework hasn’t yet been able to solve them, it has therefore been a series of necessary measures that help improve the port services provision regime. A new proposal to the Restated Law Text has been drafted as the first step to embrace a future legal reform. Conclusions obtained on the research should set the new basis of a deep reflection about the need to bent on a new legal reform which firmly bets on Spanish port system competitiveness from three key points of view, service liberalization, ship load cost reduction and professionalization of freight handling related workers.