Modelización e integración de sistemas de adquisición de datos inteligentes en sistemas de instrumentación para dispositivos de fusión

La obtención de energía a partir de la fusión nuclear por confinamiento magnético del plasma, es uno de los principales objetivos dentro de la comunidad científica dedicada a la energía nuclear. Desde la construcción del primer dispositivo de fusión, hasta la actualidad, se han llevado a cabo multitud de experimentos, que hoy en día, gran parte de ellos dan soporte al proyecto International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). El principal problema al que se enfrenta ITER, se basa en la monitorización y el control del plasma. Gracias a las nuevas tecnologías, los sistemas de instrumentación y control permiten acercarse más a la solución del problema, pero a su vez, es más complicado estandarizar los sistemas de adquisición de datos que se usan, no solo en ITER, sino en otros proyectos de igual complejidad. Desarrollar nuevas implementaciones hardware y software bajo los requisitos de los diagnósticos definidos por los científicos, supone una gran inversión de tiempo, retrasando la ejecución de nuevos experimentos. Por ello, la solución que plantea esta tesis, consiste en la definición de una metodología de diseño que permite implementar sistemas de adquisición de datos inteligentes y su fácil integración en entornos de fusión para la implementación de diagnósticos. Esta metodología requiere del uso de los dispositivos Reconfigurable Input/Output (RIO) y Flexible RIO (FlexRIO), que son sistemas embebidos basados en tecnología Field-Programmable Gate Array (FPGA). Para completar la metodología de diseño, estos dispositivos van a ser soportados por un software basado en EPICS Device Support utilizando la tecnología EPICS software asynDriver. Esta metodología se ha evaluado implementando prototipos para los controladores rápidos de planta de ITER, tanto para casos prácticos de ámbito general como adquisición de datos e imágenes, como para casos concretos como el diagnóstico del fission chamber, implementando pre-procesado en tiempo real. Además de casos prácticos, esta metodología se ha utilizado para implementar casos reales, como el Ion Source Hydrogen Positive (ISHP), desarrollada por el European Spallation Source (ESS Bilbao) y la Universidad del País Vasco. Finalmente, atendiendo a las necesidades que los experimentos en los entornos de fusión requieren, se ha diseñado un mecanismo mediante el cual los sistemas de adquisición de datos, que pueden ser implementados mediante la metodología de diseño propuesta, pueden integrar un reloj hardware capaz de sincronizarse con el protocolo IEEE1588-V2, permitiendo a estos, obtener los TimeStamps de las muestras adquiridas con una exactitud y precisión de decenas de nanosegundos y realizar streaming de datos con TimeStamps. ABSTRACT Fusion energy reaching by means of nuclear fusion plasma confinement is one of the main goals inside nuclear energy scientific community. Since the first fusion device was built, many experiments have been carried out and now, most of them give support to the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) project. The main difficulty that ITER has to overcome is the plasma monitoring and control. Due to new technologies, the instrumentation and control systems allow an approaching to the solution, but in turn, the standardization of the used data acquisition systems, not only in ITER but also in other similar projects, is more complex. To develop new hardware and software implementations under scientific diagnostics requirements, entail time costs, delaying new experiments execution. Thus, this thesis presents a solution that consists in a design methodology definition, that permits the implementation of intelligent data acquisition systems and their easy integration into fusion environments for diagnostic purposes. This methodology requires the use of Reconfigurable Input/Output (RIO) and Flexible RIO (FlexRIO) devices, based on Field-Programmable Gate Array (FPGA) embedded technology. In order to complete the design methodology, these devices are going to be supported by an EPICS Device Support software, using asynDriver technology. This methodology has been evaluated implementing ITER PXIe fast controllers prototypes, as well as data and image acquisition, so as for concrete solutions like the fission chamber diagnostic use case, using real time preprocessing. Besides of these prototypes solutions, this methodology has been applied for the implementation of real experiments like the Ion Source Hydrogen Positive (ISHP), developed by the European Spallation Source and the Basque country University. Finally, a hardware mechanism has been designed to integrate a hardware clock into RIO/FlexRIO devices, to get synchronization with the IEEE1588-V2 precision time protocol. This implementation permits to data acquisition systems implemented under the defined methodology, to timestamp all data acquired with nanoseconds accuracy, permitting high throughput timestamped data streaming.

Energy Management and Optimization for Video Decoders based on Functional-oriented Reconfiguration

In recent years, the increasing sophistication of embedded multimedia systems and wireless communication technologies has promoted a widespread utilization of video streaming applications. It has been reported in 2013 that youngsters, aged between 13 and 24, spend around 16.7 hours a week watching online video through social media, business websites, and video streaming sites. Video applications have already been blended into people daily life. Traditionally, video streaming research has focused on performance improvement, namely throughput increase and response time reduction. However, most mobile devices are battery-powered, a technology that grows at a much slower pace than either multimedia or hardware developments. Since battery developments cannot satisfy expanding power demand of mobile devices, research interests on video applications technology has attracted more attention to achieve energy-efficient designs. How to efficiently use the limited battery energy budget becomes a major research challenge. In addition, next generation video standards impel to diversification and personalization. Therefore, it is desirable to have mechanisms to implement energy optimizations with greater flexibility and scalability. In this context, the main goal of this dissertation is to find an energy management and optimization mechanism to reduce the energy consumption of video decoders based on the idea of functional-oriented reconfiguration. System battery life is prolonged as the result of a trade-off between energy consumption and video quality. Functional-oriented reconfiguration takes advantage of the similarities among standards to build video decoders reconnecting existing functional units. If a feedback channel from the decoder to the encoder is available, the former can signal the latter changes in either the encoding parameters or the encoding algorithms for energy-saving adaption. The proposed energy optimization and management mechanism is carried out at the decoder end. This mechanism consists of an energy-aware manager, implemented as an additional block of the reconfiguration engine, an energy estimator, integrated into the decoder, and, if available, a feedback channel connected to the encoder end. The energy-aware manager checks the battery level, selects the new decoder description and signals to build a new decoder to the reconfiguration engine. It is worth noting that the analysis of the energy consumption is fundamental for the success of the energy management and optimization mechanism. In this thesis, an energy estimation method driven by platform event monitoring is proposed. In addition, an event filter is suggested to automate the selection of the most appropriate events that affect the energy consumption. At last, a detailed study on the influence of the training data on the model accuracy is presented. The modeling methodology of the energy estimator has been evaluated on different underlying platforms, single-core and multi-core, with different characteristics of workload. All the results show a good accuracy and low on-line computation overhead. The required modifications on the reconfiguration engine to implement the energy-aware manager have been assessed under different scenarios. The results indicate a possibility to lengthen the battery lifetime of the system in two different use-cases.

Using lecture recordings to support curriculum changes in the European convergence process

The aim of this paper is to present the experience of using lecture recordings to support curriculum changes within the framework of the European convergence process, mainly courses that need to be promoted or discontinued. We will explain an integrated solution for recording lectures consisting of a web portal, a videoconferencing tool and an economical and easily transportable kit. The validation process was performed recording three different courses at the Universidad Politécnica of Madrid (UPM) and using different diffusion channels, such as Moodle, an open source web portal called GlobalPlaza that supports streaming and recordings and the YouTube UPM channel. To assess the efficiency of our solution, a formal evaluation was conducted and will be also presented in this paper. The results show that lecture recordings allow teachers to support discontinued and new courses and enable students from remote areas to participate in international educational programmes, also the resulting recordings will be used as learning objects for future virtual courses.

Contribución a los Modelos de Estimación de la Calidad Percibida en Servicios de Vídeo sobre Internet mediante Parámetros Objetivos

En los últimos años el consumo de servicios de vídeo se ha incrementado de forma notable y se espera que dicha tendencia continúe en los próximos años. Los servicios de streaming de vídeo Over-The-Top (OTT), en los que se centra esta tesis, constituyen uno de los principales motores de dicho crecimiento. A diferencia de los servicios Internet Protocol Television (IPTV), que utilizan una red controlada en la que se pueden implementar mecanismos de Quality of Service (QoS), los servicios de streaming de vídeo OTT se prestan sobre Internet, por lo que llevan asociados interesantes desafíos desde un punto de vista técnico. Uno de los mayores desafíos técnicos a los que se enfrentan los servicios de streaming de vídeo OTT es mantener un nivel de Quality of Experience (QoE) que satisfaga a sus usuarios, por lo que es necesario contar con técnicas y herramientas que permitan monitorizar la calidad percibida por los usuarios de estos servicios. El streaming de vídeo OTT supone un cambio de filosofía en comparación con otras técnicas de streaming más tradicionales como RTP/RTSP. Los servicios de vídeo OTT suelen seguir el paradigma Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH), que se basa en sustituir los servidores de streaming tradicionales por servidores web que ponen a disposición de los clientes los contenidos de vídeo codificados en varias versiones con distinto nivel de calidad. Cada una de estas versiones o representaciones está dividida en pequeños fragmentos o segmentos que los clientes pueden solicitar mediante el protocolo HTTP. Los clientes pueden solicitar diferentes niveles de calidad en función de los parámetros que consideren más adecuados (ancho de banda de la red, resolución de pantalla, tipo de códec, etc.), lo que les permite adaptarse a condiciones cambiantes del entorno. Como se puede ver, el paradigma DASH ha trasladado el control de la sesión del servidor al cliente y ha sustituido los servidores de streaming por servidores web que simplemente sirven los segmentos de vídeo que los clientes solicitan. Además se esta simplificación de los servidores de streaming, existen otras ventajas asociadas a DASH, como son la utilización de Content Delivery Network (CDN), la compatibilidad con NATs y firewalls, etc. En esta tesis doctoral se lleva a cabo la propuesta de un conjunto de modelos cuyo objetivo es estimar la calidad percibida por los usuarios de los servicios de vídeo basados en DASH. Más concretamente, partiendo de la definición del servicio como un conjunto de componentes de servicio, se desarrollan modelos parciales que estiman la calidad percibida asociada a cada uno de estos componentes: calidad de vídeo, calidad de audio, degradaciones asociadas a la transmisión, etc. Cada una de estas estimaciones de calidad percibida se combinan en un modelo global que estima la calidad percibida total del servicio.

Towards efficient processing of RDF Data Streams

In the last years, there has been an increase in the amount of real-time data generated. Sensors attached to things are transforming how we interact with our environment. Extracting meaningful information from these streams of data is essential for some application areas and requires processing systems that scale to varying conditions in data sources, complex queries, and system failures. This paper describes ongoing research on the development of a scalable RDF streaming engine.

Efficient RDF Interchange (ERI) format for RDF data streams

RDF streams are sequences of timestamped RDF statements or graphs, which can be generated by several types of data sources (sensors, social networks, etc.). They may provide data at high volumes and rates, and be consumed by applications that require real-time responses. Hence it is important to publish and interchange them efficiently. In this paper, we exploit a key feature of RDF data streams, which is the regularity of their structure and data values, proposing a compressed, efficient RDF interchange (ERI) format, which can reduce the amount of data transmitted when processing RDF streams. Our experimental evaluation shows that our format produces state-of-the-art streaming compression, remaining efficient in performance.

Desarrollo de un portal de monitorización y análisis de estadísticas de sesiones de comunicación en tiempo real

En este Trabajo de Fin de Grado se va a explicar el procedimiento seguido a la hora de estudiar, diseñar y desarrollar Ackuaria, un portal de monitorización y análisis de estadísticas de comunicaciones en tiempo real. Después, se mostrarán los resultados obtenidos y la interfaz gráfica desarrollada para una mejor experiencia de usuario. Ackuaria se apoyará en el uso de Licode, un proyecto de código libre desarrollado en la Universidad Politécnica de Madrid, más concretamente en el Grupo de Internet de Nueva Generación de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación. Licode ofrece la posibilidad de crear un servicio de streaming y videoconferencia en la propia infraestructura del usuario. Está diseñado para ser totalmente escalable y su uso está orientado principalmente al Cloud, aunque es perfectamente utilizable en una infraestructura física. Licode a su vez se basa en WebRTC, un protocolo desarrollado por la W3C (World Wide Web Consortium) y el IETF (Internet Engineering Task Force) pensado para poder transmitir y recibir flujos de audio, video y datos a través del navegador. No necesita ninguna instalación adicional, por lo que establecer una sesión de videoconferencia Peer-to-Peer es realmente sencillo. Con Licode se usa una MCU (Multipoint Control Unit) para evitar que todas las conexiones entre los usuarios sean Peer-To-Peer. Actúa como un cliente WebRTC más por el que pasan todos los flujos, que se encarga de multiplexar y redirigir donde sea necesario. De esta forma se ahorra ancho de banda y recursos del dispositivo de una forma muy significativa. Existe la creciente necesidad de los usuarios de Licode y de cualquier servicio de videoconferencia en general de poder gestionar su infraestructura a partir de datos y estadísticas fiables. Sus objetivos son muy variados: desde estudiar el comportamiento de WebRTC en distintos escenarios hasta monitorizar el uso de los usuarios para poder contabilizar después el tiempo publicado por cada uno. En todos los casos era común la necesidad de disponer de una herramienta que permitiese conocer en todo momento qué está pasando en el servicio de Licode, así como de almacenar toda la información para poder ser analizada posteriormente. Para conseguir desarrollar Ackuaria se ha realizado un estudio de las comunicaciones en tiempo real con el objetivo de determinar qué parámetros era indispensable y útil monitorizar. A partir de este estudio se ha actualizado la arquitectura de Licode para que obtuviese todos los datos necesarios y los enviase de forma que pudiesen ser recogidos por Ackuaria. El portal de monitorización entonces tratará esa información y la mostrará de forma clara y ordenada, además de proporcionar una API REST al usuario.

Distribución multicast de vídeo en directo sobre la red móvil LTE

En la última década, la telefonía móvil ha evolucionado a una extraordinaria velocidad, permitiéndonos acceder a funcionalidades características de los PC pero con la ventaja de poseer una movilidad total. Con la aparición de la tecnología Long Term Evolution (LTE), comúnmente conocida como 4G, se ha conseguido desarrollar un sistema que se ha mejorado notablemente las prestaciones proporcionando alta velocidad y eficiencia a los ya masivamente utilizados smartphones. Gracias a este exponencial incremento del ancho de banda disponible, los usuarios hoy en día no se conforman sólo con navegar por páginas Web, sino que cada vez muestran un mayor interés en poder explotar al máximo los recursos multimedia, dando lugar a servicios como el streaming de vídeo. De este modo, a raíz del proyecto LTExtreme centrado en el análisis y la propuesta de optimización para servicios de streaming multimedia multicast/unicast sobre la tecnología LTE, surge este trabajo en el cual se pretende extender dicho análisis a la multidifusión de vídeo en directo. El proyecto se basa en la implementación de la arquitectura propuesta por el organismo 3GPP para dar este servicio, considerándose como una solución eficiente en la que se combina el protocolo de transporte multicast FLUTE (File Delivery over Unidirectional Transport) con la tecnología DASH (Dynamic Adaptative Streaming over HTTP). La arquitectura se ha implementado mediante la creación y configuración de una maqueta de laboratorio gracias a la herramienta de virtualización Virtual Networks over linuX (VNX). Un escenario simplificado de la red móvil LTE junto con el servidor de contenidos y varios clientes móviles, pudiendo realizar simulaciones de una emisión de vídeo en directo, y a su vez analizar los resultados obtenidos, así como la calidad de servicio percibida. Concretamente, se realizará un análisis de los problemas asociados a los casos de uso tratados, tanto de la emisión de un único vídeo como una de duración infinita, asemejándose a lo que supondría la emisión de la programación televisiva para un determinado canal. Por último, se plantearán ideas surgidas a raíz de los resultados obtenidos de dichos estudios y que puedan tener futuro y ser aplicables al mundo real.

Ypres rally network

Along of this document the reader could find a suitable network design and solution for the Rally Championship of Ypres meeting all the requirements set by the organization of the rally. These requirements have brought many problems in accordance with the network standards, because the area where the boxes are located is pretty large nevertheless technologies to solve those problems are detailed in the project. It has been included different designs in the project, each one of them based on distinct characteristic as they could be efficient, performance… , and the most important, since the organization of the rally is non-profit , the budget. Nevertheless we didn’t dismiss the use of long-lasting devices, as CISCO devices, despite their price. Furthermore a configuration of routing/switching devices has been explained for those who will be commanded to implement this solution. This solution is design to supply internet access as well as video streaming to all boxes for what teams can follow the championship in live time. The maximum connection of internet service provider (ISP) is 160Mbps, this bandwidth has to be distributed for the boxes dynamically. Finally to ensure the network works out it has to be monitored, this is reachable by using network analysis tools which in this project Wireshark has been chosen. RESUMEN. A lo largo de este documento, el lector encontrara un posible diseño y una posible solución para la red local del circuito de Rally celebrado en Ypres, cumpliendo con todos los requisitos y especificaciones establecidos por la organización. Estos requisitos han causado problemas de conformidad con los estándares de la red, debido a que la zona donde se encuentran los Boxes de los equipos es bastante larga, sin embargo las tecnologías para resolver esos problemas se detallan en este proyecto. Se han incluido diferentes diseños, cada uno de ellos centrado en aspectos diferentes así como la eficacia, el rendimiento, el presupuesto, etc... Esta solución está diseñada para suministrar acceso a Internet, así como la transmisión dinámica de video a todos los equipos para que puedan seguir la competición en tiempo real. Finalmente para controlar y asegurar que la red funciona, será monitorizada mediante herramientas de análisis de redes (Wireshark).

Analysis of quality of experience in 3D video systems

Esta tesis presenta un estudio exhaustivo sobre la evaluación de la calidad de experiencia (QoE, del inglés Quality of Experience) percibida por los usuarios de sistemas de vídeo 3D, analizando el impacto de los efectos introducidos por todos los elementos de la cadena de procesamiento de vídeo 3D. Por lo tanto, se presentan varias pruebas de evaluación subjetiva específicamente diseñadas para evaluar los sistemas considerados, teniendo en cuenta todos los factores perceptuales relacionados con la experiencia visual tridimensional, tales como la percepción de profundidad y la molestia visual. Concretamente, se describe un test subjetivo basado en la evaluación de degradaciones típicas que pueden aparecer en el proceso de creación de contenidos de vídeo 3D, por ejemplo debidas a calibraciones incorrectas de las cámaras o a algoritmos de procesamiento de la señal de vídeo (p. ej., conversión de 2D a 3D). Además, se presenta el proceso de generación de una base de datos de vídeos estereoscópicos de alta calidad, disponible gratuitamente para la comunidad investigadora y que ha sido utilizada ampliamente en diferentes trabajos relacionados con vídeo 3D. Asimismo, se presenta otro estudio subjetivo, realizado entre varios laboratorios, con el que se analiza el impacto de degradaciones causadas por la codificación de vídeo, así como diversos formatos de representación de vídeo 3D. Igualmente, se describen tres pruebas subjetivas centradas en el estudio de posibles efectos causados por la transmisión de vídeo 3D a través de redes de televisión sobre IP (IPTV, del inglés Internet Protocol Television) y de sistemas de streaming adaptativo de vídeo. Para estos casos, se ha propuesto una innovadora metodología de evaluación subjetiva de calidad vídeo, denominada Content-Immersive Evaluation of Transmission Impairments (CIETI), diseñada específicamente para evaluar eventos de transmisión simulando condiciones realistas de visualización de vídeo en ámbitos domésticos, con el fin de obtener conclusiones más representativas sobre la experiencia visual de los usuarios finales. Finalmente, se exponen dos experimentos subjetivos comparando varias tecnologías actuales de televisores 3D disponibles en el mercado de consumo y evaluando factores perceptuales de sistemas Super Multiview Video (SMV), previstos a ser la tecnología futura de televisores 3D de consumo, gracias a una prometedora visualización de contenido 3D sin necesidad de gafas específicas. El trabajo presentado en esta tesis ha permitido entender los factores perceptuales y técnicos relacionados con el procesamiento y visualización de contenidos de vídeo 3D, que pueden ser de utilidad en el desarrollo de nuevas tecnologías y técnicas de evaluación de la QoE, tanto metodologías subjetivas como métricas objetivas. ABSTRACT This thesis presents a comprehensive study of the evaluation of the Quality of Experience (QoE) perceived by the users of 3D video systems, analyzing the impact of effects introduced by all the elements of the 3D video processing chain. Therefore, various subjective assessment tests are presented, particularly designed to evaluate the systems under consideration, and taking into account all the perceptual factors related to the 3D visual experience, such as depth perception and visual discomfort. In particular, a subjective test is presented, based on evaluating typical degradations that may appear during the content creation, for instance due to incorrect camera calibration or video processing algorithms (e.g., 2D to 3D conversion). Moreover, the process of generation of a high-quality dataset of 3D stereoscopic videos is described, which is freely available for the research community, and has been already widely used in different works related with 3D video. In addition, another inter-laboratory subjective study is presented analyzing the impact of coding impairments and representation formats of stereoscopic video. Also, three subjective tests are presented studying the effects of transmission events that take place in Internet Protocol Television (IPTV) networks and adaptive streaming scenarios for 3D video. For these cases, a novel subjective evaluation methodology, called Content-Immersive Evaluation of Transmission Impairments (CIETI), was proposed, which was especially designed to evaluate transmission events simulating realistic home-viewing conditions, to obtain more representative conclusions about the visual experience of the end users. Finally, two subjective experiments are exposed comparing various current 3D displays available in the consumer market, and evaluating perceptual factors of Super Multiview Video (SMV) systems, expected to be the future technology for consumer 3D displays thanks to a promising visualization of 3D content without specific glasses. The work presented in this thesis has allowed to understand perceptual and technical factors related to the processing and visualization of 3D video content, which may be useful in the development of new technologies and approaches for QoE evaluation, both subjective methodologies and objective metrics.