Laboratorio remoto eLab3D: un mundo virtual inmersivo para el aprendizaje de la electrónica

En este artículo se presenta un recurso educativo novedoso, basado en un laboratorio remoto, que permite a los estudiantes, a través de Internet, la realización de experimentos reales en el área de la electrónica. Se ha creado un mundo virtual 3D donde los usuarios, a través de sus avatares, pueden interaccionar con réplicas virtuales de instrumentos, placas de circuitos, componentes o cables y con compañeros y profesores, de forma similar a como lo harían en un laboratorio presencial. Este recurso ofrece múltiples posibilidades que pueden ser muy útiles en los diferentes niveles educativos. Se han llevado a cabo algunas experiencias educativas de utilización de la plataforma con el fin de valorar sus posibilidades docentes y los resultados obtenidos han sido muy positivos. ABSTRACT. This paper presents an innovative educational resource, based on a remote laboratory, which allows users to conduct real experiments through Internet in the area of electronics. A 3D virtual world has been created in which users, by means of their avatars, can interact with virtual replicas of instruments, circuit boards, components or cables and with peers and teachers, as they would in a traditional laboratory. This resource offers multiple possibilities that can be very useful in the different education levels. Some educative experiences have been carried out using the platform to evaluate its educational possibilities and the obtained results have been very positive.

Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.

Modelo de competencias profesionales para directivos escolares: desarrollo y aplicación al ámbito de la educación particular subvencionada, Chile

La trascendencia de la educación sobre la construcción del capital humano y social, ha sido vastamente discutido, considerando entre otros elementos, la correlación entre las inversiones en educación, las políticas educativas, los actores involucrados, y los efectos que tienen sobre la calidad de la educación. Esto se refleja en los esfuerzos, de los diferentes estamentos, por mejorar los resultados del proceso educativo, intentando construir una sociedad más equitativa en la cual todo individuo pueda tener acceso a una educación de calidad, que permita tener las mismas oportunidades para el desarrollo personal, profesional y social. La educación entonces, pasa a ser un pilar fundamental en los modelos de desarrollo - y un tema de debate constante- en especial en aspectos tales como: resultados de aprendizaje, gestión y efectividad escolar, como ejes para mejorar la construcción del capital humano en la sociedad. En Chile, a partir de un proceso de descentralización de la educación iniciado en los 80, el modelo de planificación y gestión de la educación pública fue transformado, pasando de un modelo centralizado a un enfoque en el cual el establecimiento educacional – el proyecto educativo – adquiere autonomía de gestión que se vuelve determinante en la calidad de la educación. Es al interior de los establecimientos escolares donde los diferentes agentes educativos llevan a cabo los procesos pedagógicos y administrativos, y se generan las condiciones para poder desarrollar una educación de calidad. Durante los últimos 30 años, los esfuerzos se han centrado en las capacidades docentes y en alcanzar la cobertura universal. Sin embargo, en los últimos 10 años la investigación aplicada ha evidenciado que los directores y equipos directivos tienen efectos directos e indirectos sobre la gestión escolar, pedagógica y de convivencia dentro de la escuela a través de su desempeño y liderazgo escolar. Es en este contexto, que se propone esta investigación con el fin de contribuir en el fortalecimiento de las capacidades de estos actores y promover un desempeño que impacte positivamente en la calidad de los aprendizajes en las escuelas Esta tesis se estructura en cinco capítulos. En el primer capítulo, se define y analiza el marco conceptual de la investigación centrado en los dos ejes de este trabajo: por un lado, conceptos de competencia, competencias profesionales; y por otro lado, liderazgo y dirección escolar, definiendo el concepto de competencias profesionales para la dirección escolar. A continuación, en el segundo capítulo, se presenta un análisis del contexto enfocado en el proceso de descentralización de la educación pública en Chile y sus efectos sobre el rol de los directivos escolares en Chile, el cual a través de su proceso de evolución ha transformado las responsabilidades de este estamento, en cuanto la gestión y la administración de los proyectos educativos definiendo un perfil del directivo escolar. Complementariamente, y en función de la gestión directiva, se realiza una conceptualización de buenas prácticas directivas como los instrumentos a través de las cuales se movilizan los elementos de competencia. En el tercer capítulo, se presenta la propuesta de modelo de competencias profesionales para la dirección escolar, como la principal aportación de esta investigación, que se sustenta sobre cuatro componentes como base científica: el enfoque holístico de competencia, el enfoque de dirección de proyectos de la International Project Management Association (IPMA), el paradigma de gestión escolar y el modelo Working with People (WWP). La propuesta considera una metodología de implementación para el desarrollo de procesos de intervención para la mejora de la gestión escolar, articulando las competencias profesionales directivas y las prácticas de gestión, como los principales componentes del modelo. En el cuarto capítulo se presenta la aplicación del modelo propuesto en un estudio de caso desarrollado en el Colegio público Kings´ School de San Bernardo (Chile), un establecimiento particular subvencionado, del área urbana de Santiago con condiciones socioeconómicas media, con un alto porcentaje de vulnerabilidad y cuyos resultados en las pruebas de evaluación nacionales evidencian una caída. La aplicación del modelo se realiza a lo largo del curso 2012-13, trabajando de forma directa con el equipo de dirección, a través de un proyecto de innovación educativa, diseñando e implementando una propuesta de intervención de la cual se sistematizan los resultados y los aprendizajes obtenidos. A partir de la investigación y los resultados obtenidos permiten concluir que el modelo propuesto puede ser considerada una herramienta estratégica de planificación e intervención para la gestión de proyectos educativos, promoviendo que a los equipos directivos contrastar su realidad con los estándares propuestos, y de esta forma poder articular las capacidades – en términos de competencias - de los recursos humanos con las prácticas directivas que buscan lograr los objetivos y resultados esperados, incidiendo positivamente en los resultados de aprendizaje y la calidad educativa. ABSTRACT The importance of education on the construction of human and social capital, has been vastly discussed, considering among other things, the correlation between investments in education, educational policies, stakeholders, and the effects they have on education quality. This is reflected on the efforts of different stakeholders, to improve educational outcomes, trying to build a more equitable society in which every individual can have access to quality education, allowing the same opportunities for personal, professional and social development. Education then becomes a cornerstone at development models - and a topic of constant discussion, especially in areas such as learning outcomes, management and school effectiveness, as core concepts to improve the construction of human capital in the society. In Chile, after a process of decentralization of education that started in the 80s, planning and management model of public education was transformed from a centralized approach to a decentralized perspective in which schools - the educational project - acquires management autonomy and becomes determinant in the quality of education outcomes. It is within the school context where teachers, principals and administrative assistants held teaching and administrative processes, and generates the conditions to develop quality education. During the past 30 years, efforts have been focused on teaching skills and achieve universal coverage. However, in the last 10 years applied research has shown that the principals and management teams have direct and indirect effects on school management, teaching and school environment through their performance and school leadership. This research is proposed within this context in order to contribute to strengthen the capacities of these actors, and promote a professional performance that will positively impact schools´ quality of learning. This thesis is divided into five chapters. The first chapter defines and analyzes the conceptual framework focused on the two main ideas of this work: first, concepts of competence, professional competence; and secondly, leadership and school management, defining the concept of professional competences for school leadership. Then, in the second chapter is developed a context analysis focused on the process of decentralization of public education in Chile, and its effects on the role of school leaders which through this process has been transformed the responsibilities on management and administration of educational projects, allowing to define a school leader’s profile. In addition, and related to principals´ management, it is proposed a conceptualization of school leadership best practices, as the instruments through which competence elements are mobilized and placed in action. Within chapter three, is presented the proposed model of professional competences for school principals, as the main contribution of this research which is based on four components as scientific basis: holistic competence approach, project management approach from the International Project management Association (IPMA), effective school management paradigm; and Working with People model (WWP). The proposal considers an implementation methodology for the development of intervention processes to improve school management, articulating professional competences and school leadership practices, as main elements of the model. Chapter four presents the implementation of the proposed model, using a case study at the Kings´ School of San Bernardo (Chile), subsidized school located at the urban area of Santiago with average socioeconomic conditions, with a high percentage of vulnerability and whose national educational assessment results show a fall. Model implementation was developed through 2012- 2013, working directly with the management team, through an innovative educational management project, designing and implementing an intervention which processes, results and lessons learned are systematized. Research and obtained results through its implementation indicates that the proposed model can be considered a strategic tool for planning and operational management for educational projects, encouraging the principals to compare their reality with the proposed standards, and thus articulate capacity - in terms of competences – in human resources with principals´ practices to achieve the objectives and expected results, impacting positively on learning outcomes and educational quality.

Algunas aportaciones sobre la enseñanza y divulgación de la ciencia

Se aportan una serie de ideas y consideraciones sobre temas variados relacionados tanto con el ámbito de la enseñanza como con el de la divulgación de las ciencias experimentales y, de forma específica, la química y la física. Las ideas expuestas en este artículo son, en buena medida, fruto del trabajo asociado a la preparación y celebración de una Jornada en Madrid, en 2012, sobre "Enseñanza y divulgación de la química y la física". Los trabajos presentados en dicho evento se recopilaron en un libro (escrito por 132 autores de distintos niveles educativos y países), con el mismo título y de libre acceso en Internet. Se aboga por favorecer: (i) una divulgación científica rigurosa, con objetivos claros y acordes al público al que va destinada, (ii) una enseñanza con metodologías variadas, e (iii) la imbricación de actividades divulgativas (museos, certámenes, páginas web...) y educativas. We discuss different topics related to science teaching and science outreach, focused especially on chemistry and physics. These ideas were most ly obtained from a 2012 symposium in Madrid about “Teaching and Outreach of Chemistry and Physics.” The papers presented in this symposium, written by 132 authors from different countries and working at di fferent educational levels, were published in a book with the same symposium title and with free access by internet. We emphasize: (i) rigorous science outreach with clear objectives that are well-focuse d on the intended audience; (ii) teaching based on a variety of methodologies, and; (iii) the interconnect ion of several outreach and educational activities (museums, contests, web pages).

Evaluación del rendimiento de jugadores y equipos de fútbol de nivel de élite en diferentes contextos situacionales = Evaluation on Match Performances of Professional Football Players and Teams under Different Situational Conditions = 不同情境条件下高水平足球运动员和运动队的比赛表现分析

El análisis del rendimiento en deportes juega un papel esencial en el fútbol profesional. Aunque el estudio del análisis del juego en fútbol se ha utilizado desde diferentes ámbitos y situaciones, todavía existen diferentes aspectos y componentes del juego que siguen sin estar estudiados. En este sentido existen diferentes aspectos que deben de superar los estudios previos centrados en el componente descriptivo tales como el uso de variables/ indicadores de rendimiento que no se han definido ni estudiado, la validez de los métodos observaciones que no han sido testados con los softwares específicos en fútbol, la aplicación y utilidad de los resultados, así como las limitaciones del estudio de las variables situacionales/contextuales. Con el objetivo de cubrir las citadas limitaciones se han diseñado 6 estudios independientes e inter-relacionados que tratan de estudiar los aspectos anteriormente referidos. El primer estudio evalua la fiabilidad inter-observadores de las estadísticas de juego de la empresa privada OPTA Sportsdata, estos datos son la muestra de estudio de la presente tesis doctoral. Dos grupos de observadores experimentados se requieren para analizar un partido de la liga española de manera independiente. Los resultados muestran que los eventos de equipos y porteros codificados por los inter-operadores alcanzan un acuerdo muy bueno (valores kappa entre 0.86 y 0.94). La validez inter-observadores de las acciones de juego y los datos de jugadores individuales se evaluó con elevados niveles de acuerdo (valores del coeficiente de correlación intraclase entre 0.88 hasta 1.00, el error típico estandarizado variaba entre 0.00 hasta 0.37). Los resultados sugieren que las estadísticas de juego registradas por los operadores de la empresa OPTA Sportsdata están bien entrenados y son fiables. El segundo, tercer y cuarto estudio se centran en resaltar la aplicabilidad del análisis de rendimiento en el fútbol así como para explicar en profundidad las influencias de las variables situacionales. Utilizando la técnica de los perfiles de rendimiento de jugadores y equipos de fútbol se puede evaluar y comparar de manera gráfica, fácil y visual. Así mismo, mediante esta técnica se puede controlar el efecto de las variables situacionales (localización del partido, nivel del equipo y del oponente, y el resultado final del partido). Los perfiles de rendimiento de porteros (n = 46 porteros, 744 observaciones) y jugadores de campo (n = 409 jugadores, 5288 observaciones) de la primera division professional de fútbol Española (La Liga, temporada 2012-13), los equipos (n = 496 partidos, 992 observaciones) de la UEFA Champions League (temporadas 2009-10 a 2012-13) fueron analizados registrando la media, desviación típica, mediana, cuartiles superior e inferior y el recuento de valores de cada indicador de rendimiento y evento, los cuales se presentaron en su forma tipificada y normalizada. Los valores medios de los porteros de los equipos de diferentes niveles de La Liga y de los equipos de diferente nivel de la UEFA Champions League cuando jugaban en diferentes contextos de juego y situaciones (variables situacionales) fueron comparados utilizando el ANOVA de un factor y la prueba t para muestras independientes (localización del partido, diferencias entre casa y fuera), y fueron establecidos en los perfiles de red después de unificar todos los registros en la misma escala derivada con valores estandarizados. Mientras que las diferencias de rendimiento entre los jugadores de los mejores equipos (Top3) y los peores (Bottom3) fueron comparados mediante el uso de diferencias en la magnitud del tamaño del efecto. El quinto y el sexto estudio analizaban el rendimiento del fútbol desde un punto de vista de predicción del rendimiento. El modelo linear general y el modelo lineal general mixto fue empleado para analizar la magnitud de las relaciones de los indicadores y estadísticas de juego con el resultado final del partido en función del tipo de partido (partidos ajustados o todos los partidos) en la fase de grupos de la Copa del Mundo 2014 de Brasil (n = 48 partidos, 38 partidos ajustados) y La Liga 2012-13 (n = 320 partidos ajustados). Las relaciones fueron evaluadas mediante las inferencias en la magnitud de las diferencias y se expresaron como partidos extra ganados o perdidos por cada 10 partidos mediante la variable calculada en 2 desviaciones típicas. Los resultados mostraron que, para los 48 partidos de la fase de grupos de la Copa del Mundo 2014, nueve variables tuvieron un efecto positive en la probabilidad de ganar (tiros, tiros a puerta, tiros de contraataque, tiros dentro del área, posesión de balón, pases en corto, media de secuencia de pases, duelos aéreos y entradas), cuatro tuvieron efectos negativos (tiros bloqueados, centros, regates y tarjetas amarillas), y otras 12 variables tenían efectos triviales o poco claros. Mientras que los 38 partidos ajustados, el efecto de duelos aéreos y tarjetas amarillas fueron triviales y claramente negativos respectivamente. En la La Liga, existió un efecto moderado positive para cada equipo para los tiros a puerta (3.4 victorias extras por cada 10 partidos; 99% IC ±1.0), y un efecto positivo reducido para tiros totales (1.7 victorias extrsa; ±1.0). Los efectos de la mayoría de los eventos se han relacionado con la posesión del balón, la cual obtuvo efectos negativos entre equipos (1.2 derrotas extras; ±1.0) pero un efecto positivo pequeño entra equipos (1.7 victorias extras; ±1.4). La localización del partido mostró un efecto positive reducido dentro de los equipos (1.9 victorias extras; ±0.9). Los resultados obtenidos en los perfiles y el modelado del rendimiento permiten ofrecer una información detallada y avanzada para el entrenamiento, la preparación previa a los partidos, el control de la competición y el análisis post-partido, así como la evaluación e identificación del talento de los jugadores. ABSTRACT Match performance analysis plays an important role in the modern professional football. Although the research in football match analysis is well-developed, there are still some issues and problems remaining in this field, which mainly include the lack of operational definitions of variables, reliability issues, applicability of the findings, the lack of contextual/situational variables, and focusing too much on descriptive and comparative analysis. In order to address these issues, six independent but related studies were conducted in the current thesis. The first study evaluated the inter-operator reliability of football match statistics from OPTA Sportsdata Company which is the data resourse of the thesis. Two groups of experienced operators were required to analyse a Spanish league match independently in the experiment. Results showed that team events and goalkeeper actions coded by independent operators reached a very good agreement (kappa values between 0.86 and 0.94). The inter-operator reliability of match actions and events of individual outfield players was also tested to be at a high level (intra-class correlation coefficients ranged from 0.88 to 1.00, standardised typical error varied from 0.00 to 0.37). These results suggest that the football match statistics collected by well-trained operators from OPTA Sportsdata Company are reliable. The second, third and fourth study aims to enhance the applicability of football match performance analysis and to explore deeply the influences of situational variables. By using a profiling technique, technical and tactical performances of football players and teams can be interpreted, evaluated and compared more easily and straightforwardly, meanwhile, influences and effects from situational variables (match location, strength of team and opposition, and match outcome) on the performances can be properly incorporated. Performance profiles of goalkeepers (n = 46 goalkeepers, 744 full match observations) and outfield players (n = 409 players, 5288 full match observations) from the Spanish First Division Professional Football League (La Liga, season 2012-13), teams (n = 496 matches, 992 observations) from UEFA Champions League (seasons 2009-10 to 2012-13) were set up by presenting the mean, standard deviation, median, lower and upper quartiles of the count values of each performance-related match action and event to represent their typical performances and spreads. Means of goalkeeper from different levels of team in La Liga and teams of different strength in UEFA Champions League when playing under different situational conditions were compared by using one-way ANOVA and independent sample t test (for match location, home and away differences), and were plotted into the same radar charts after unifying all the event counts by standardised score. While differences between the performances of outfield players from Top3 and from Bottom3 teams were compared by magnitude-based inferences. The fifth and sixth study aims to move from the descriptive and comparative football match analysis to a more predictive one. Generalised linear modelling and generalised mixed linear modelling were undertaken to quantify relationships of the performance-related match events, actions and variables with the match outcome in different types of games (close games and all games) in the group stage of 2014 Brazil FIFA World Cup (n = 48 games, 38 close games) and La Liga 2012-13 (n = 320 close games). Relationships were evaluated with magnitude-based inferences and were expressed as extra matches won or lost per 10 matches for an increase of two standard deviations of a variable. Results showed that, for all the 48 games in the group stage of 2014 FIFA World Cup, nine variables had clearly positive effects on the probability of winning (shot, shot on target, shot from counter attack, shot from inside area, ball possession, short pass, average pass streak, aerial advantage, and tackle), four had clearly negative effects (shot blocked, cross, dribble and red card), other 12 variabless had either trivial or unclear effects. While for the 38 close games, the effects of aerial advantage and yellow card turned to trivial and clearly negative, respectively. In the La Liga, there was a moderate positive within-team effect from shots on target (3.4 extra wins per 10 matches; 99% confidence limits ±1.0), and a small positive within-team effect from total shots (1.7 extra wins; ±1.0). Effects of most other match events were related to ball possession, which had a small negative within-team effect (1.2 extra losses; ±1.0) but a small positive between-team effect (1.7 extra wins; ±1.4). Game location showed a small positive within-team effect (1.9 extra wins; ±0.9). Results from the established performance profiles and modelling can provide detailed and straightforward information for training, pre-match preparations, in-match tactical approaches and post-match evaluations, as well as for player identification and development. 摘要 比赛表现分析在现代足球中起着举足轻重的作用。尽管如今对足球比赛表现分析的研究已经相对完善，但仍有很多不足之处。这些不足主要体现在：研究中缺乏对研究变量的清晰定义、数据信效度缺失、研究结果的实用性受限、比赛情境因素缺失以及过于集中在描述性和对比性分析等。针对这些问题，本论文通过六个独立而又相互联系的研究，进一步对足球比赛表现分析进行完善。 第一个研究对本论文的数据源--OPTA Sportsdata公司的足球比赛数据的信效度进行了实验检验。实验中，两组数据收集人员被要求对同一场西班牙足球甲级联赛的比赛进行分析。研究结果显示，两组收集人员记录下的球队比赛事件和守门员比赛行为具有高度的一致性(卡帕系数介于0.86和0.94)。收集人员输出的外场球员的比赛行为和比赛事件也具有很高的组间一致性(ICC相关系数介于0.88和1.00，标准化典型误差介于0.00和0.37)。实验结果证明了OPTA Sportsdata公司收集的足球比赛数据具有足够高的信效度。 第二、三、四个研究旨在提升足球比赛表现分析研究结果的实用性以及深度探讨比赛情境因素对足球比赛表现的影响。通过对足球运动员和运动队的比赛技战术表现进行档案创建，可以对运动员和运动队的比赛表现进行简直接而直观的呈现、评价和对比，同时，情境变量(比赛场地、球队和对手实力、比赛结果)对比赛表现的影响也可以被整合到表现档案中。本部分对2012-13赛季西班牙足球甲级联赛的参赛守门员(n = 46球员人次，744比赛场次)和外场球员(n = 409球员人次, 5288比赛场次)以及2009-10至2012-13赛季欧洲足球冠军联赛的参赛球队(n = 496比赛场次)的比赛技战术表现进行了档案创建。在表现档案中，各项比赛技战术指标的均值、标准差、中位数和大小四分位数被用来展现守门员、外场球员和球队的普遍表现和表现浮动性。方差分析(ANOVA)被用来对西甲不同水平球队的守门员、欧冠中不同水平球队在不同比赛情境下的普遍表现(各项指标的均值)进行对比，独立样本t检验被用来对比主客场比赛普遍表现的差异。数据量级推断(magnitude-based inferences)的方法则被用来对西甲前三名和最后三名球队外场球员的普遍表现进行对比分析。所有来自不同水平球队的运动员和不同水平运动队的各项比赛指标皆被转换成了标准分数，从而能把他们在各种不同比赛情境下的普遍表现(各项比赛指标的均值)投到相同的雷达图中进行直观的对比。 第五和第六个研究目的在于进行预测性足球比赛表现分析，从而跨越之前固有的描述性和对比性分析。广义线性模型和广义混合线性模型被用来对2014年巴西世界杯小组赛(n = 48 比赛场次，38小分差场次)和2012-13赛季西甲联赛(n = 320小分差场次)的比赛中各表现相关比赛事件、行为和变量与比赛结果(胜、平、负)的关系进行建模。模型中的关系通过数据量级推断(magnitude-based inferences)的方法来界定，具体表现为某个变量增加两个标准差对比赛结果的影响(每10场比赛中额外取胜或失利的场数)。研究结果显示，在2014年巴西世界杯小组赛的所有48场比赛中，9个变量(射门、射正、反击中射门、禁区内射门、控球、短传、连续传球平均次数、高空球争抢成功率和抢断)与赢球概率有清晰的正相关关系，4个变量(射门被封堵、传中、过人和红牌)与赢球概率有清晰的负相关关系，其他12个被分析的变量与赢球概率的相关关系微小或不清晰。而在38场小分差比赛中，高空球争抢成功率由正相关变为微小关系，黄牌则由微小关系变为清晰的负相关。在西甲联赛中，每一支球队增加两个标准差的“射正球门”可以给每10场比赛带来3.4场额外胜利(99%置信区间±1.0场)，而所有球队作为一个整体，每增加两个标准差的“射正球门”可以给每10场比赛带来1.7场额外胜利(99%置信区间±1.0场)。其他大多数比赛相关事件与比赛结果的相关关系与“控球”相关联。每一支球队增加两个标准差的“控球”将会给每10场比赛带来1.2场额外失利(99%置信区间±1.0场)，而所有球队作为一个整体，每增加两个标准差的“控球”可以给每10场比赛带来1.7场额外胜利(99%置信区间±1.4场)。与客场比赛相对，主场能给球队带来1.9 /10场额外胜利(99%置信区间±0.9场)。 比赛表现档案和模型中得出的研究结果可以为俱乐部、足球队、教练组、表现分析师和运动员提供详细而直接的参考信息。这些信息可用于训练指导、赛前备战、赛中技战术调整和赛后技战术表现分析，也可运用于足球运动员选材、培养和发展。

Diseño e implementación de herramientas web para la gestión de recursos Openstack

En un momento en el que la Nube cobra cada día más fuerza, contribuyendo como pieza fundamental en la aparición de nuevos modelos de negocio, que a su vez originan una amplia oferta de aplicaciones útiles en prácticamente todos los ámbitos; la Unión Europea decidió sumergirse en el proyecto FIWARE, con la idea de alzarse como una nueva alternativa pública de código abierto, en un mercado dominado desde hace años por Google y Amazon. Desde 2011, FIWARE crece gracias al trabajo colaborativo de multitud de empresas e instituciones europeas especializadas en el ámbito de las TIC, con el objetivo de ofrecer un entorno estandarizado y de código abierto, que de soporte en la nube, tanto a las empresas como a las aplicaciones que puedan surgir en el futuro. Entre el amplio conjunto de contribuidores al proyecto, se encuentra la Universidad Politécnica de Madrid. Concretamente, como parte de la Cátedra de Telefónica en la Escuela Superior de Ingenieros de Telecomunicación, nace el Grupo de Internet de Nueva Generación (GING), responsable de importantes aportaciones al proyecto FIWARE. Entre las diferentes actividades a cargo del GING, están el diseño, la implementación y el mantenimiento del Portal Cloud, la interfaz gráfica que proporciona acceso desde la web a los diferentes servicios de la nube de FIWARE, basados la mayoría en los recursos Openstack: proveedor de infraestructura como servicio (IaaS). El objetivo de este trabajo será introducir al lector los principales propósitos por los que nace FIWARE, y presentar una serie de desarrollos realizados bajo la firma del GING, en torno al Portal y su relación con la infraestructura Openstack. A lo largo del documento, se explicarán los diferentes procedimientos vinculados a la implementación de las herramientas web que han contribuido a mejorar la funcionalidad del Portal. Dichos procedimientos, entrañan el estudio y empleo de tres tecnologías fundamentales: desarrollos web de front-end y el empleo de la framework BackboneJS, los recursos Openstack y el entorno de desarrollo Devstack, y el concepto de los widgets aplicado a la monitorización de máquinas virtuales. La lectura de este documento puede resultar de gran utilidad, pues, la implantación de los diferentes casos de uso tratados en este proyecto, permite hacer un repaso de los diferentes niveles de abstracción con los que cuenta una herramienta como el Portal Cloud: partiendo de la implementación de la interfaz de usuario, hasta llegar a la configuración de los recursos que conforman el soporte de la aplicación, pasando por la creación de APIs y librerías que proporcionen acceso a los distintos servicios disponibles. Así, el análisis de la estructura y componentes que dan forma al Portal Cloud de FIWARE, proporcionará una visión global, extrapolable al diseño y funcionamiento de cualquier aplicación o plataforma que emplee como soporte de sus capacidades los servicios ofrecidos por proveedores de Infraestructura como Servicio.

Cognitive strategies for reducing energy consumption in wireless sensor networks

El consumo energético de las Redes de Sensores Inalámbricas (WSNs por sus siglas en inglés) es un problema histórico que ha sido abordado desde diferentes niveles y visiones, ya que no solo afecta a la propia supervivencia de la red sino que el creciente uso de dispositivos inteligentes y el nuevo paradigma del Internet de las Cosas hace que las WSNs tengan cada vez una mayor influencia en la huella energética. Debido a la tendencia al alza en el uso de estas redes se añade un nuevo problema, la saturación espectral. Las WSNs operan habitualmente en bandas sin licencia como son las bandas Industrial, Científica y Médica (ISM por sus siglas en inglés). Estas bandas se comparten con otro tipo de redes como Wi-Fi o Bluetooth cuyo uso ha crecido exponencialmente en los últimos años. Para abordar este problema aparece el paradigma de la Radio Cognitiva (CR), una tecnología que permite el acceso oportunista al espectro. La introducción de capacidades cognitivas en las WSNs no solo permite optimizar su eficiencia espectral sino que también tiene un impacto positivo en parámetros como la calidad de servicio, la seguridad o el consumo energético. Sin embargo, por otra parte, este nuevo paradigma plantea algunos retos relacionados con el consumo energético. Concretamente, el sensado del espectro, la colaboración entre los nodos (que requiere comunicación adicional) y el cambio en los parámetros de transmisión aumentan el consumo respecto a las WSN clásicas. Teniendo en cuenta que la investigación en el campo del consumo energético ha sido ampliamente abordada puesto que se trata de una de sus principales limitaciones, asumimos que las nuevas estrategias deben surgir de las nuevas capacidades añadidas por las redes cognitivas. Por otro lado, a la hora de diseñar estrategias de optimización para CWSN hay que tener muy presentes las limitaciones de recursos de estas redes en cuanto a memoria, computación y consumo energético de los nodos. En esta tesis doctoral proponemos dos estrategias de reducción de consumo energético en CWSNs basadas en tres pilares fundamentales. El primero son las capacidades cognitivas añadidas a las WSNs que proporcionan la posibilidad de adaptar los parámetros de transmisión en función del espectro disponible. La segunda es la colaboración, como característica intrínseca de las CWSNs. Finalmente, el tercer pilar de este trabajo es teoría de juegos como algoritmo de soporte a la decisión, ampliamente utilizado en WSNs debido a su simplicidad. Como primer aporte de la tesis se presenta un análisis completo de las posibilidades introducidas por la radio cognitiva en materia de reducción de consumo para WSNs. Gracias a las conclusiones extraídas de este análisis, se han planteado las hipótesis de esta tesis relacionadas con la validez de usar capacidades cognitivas como herramienta para la reducción de consumo en CWSNs. Una vez presentada las hipótesis, pasamos a desarrollar las principales contribuciones de la tesis: las dos estrategias diseñadas para reducción de consumo basadas en teoría de juegos y CR. La primera de ellas hace uso de un juego no cooperativo que se juega mediante pares de jugadores. En la segunda estrategia, aunque el juego continúa siendo no cooperativo, se añade el concepto de colaboración. Para cada una de las estrategias se presenta el modelo del juego, el análisis formal de equilibrios y óptimos y la descripción de la estrategia completa donde se incluye la interacción entre nodos. Con el propósito de probar las estrategias mediante simulación e implementación en dispositivos reales hemos desarrollado un marco de pruebas compuesto por un simulador cognitivo y un banco de pruebas formado por nodos cognitivos capaces de comunicarse en tres bandas ISM desarrollados en el B105 Lab. Este marco de pruebas constituye otra de las aportaciones de la tesis que permitirá el avance en la investigación en el área de las CWSNs. Finalmente, se presentan y discuten los resultados derivados de la prueba de las estrategias desarrolladas. La primera estrategia proporciona ahorros de energía mayores al 65% comparados con una WSN sin capacidades cognitivas y alrededor del 25% si la comparamos con una estrategia cognitiva basada en el sensado periódico del espectro para el cambio de canal de acuerdo a un nivel de ruido fijado. Este algoritmo se comporta de forma similar independientemente del nivel de ruido siempre que éste sea espacialmente uniformemente. Esta estrategia, a pesar de su sencillez, nos asegura el comportamiento óptimo en cuanto a consumo energético debido a la utilización de teoría de juegos en la fase de diseño del comportamiento de los nodos. La estrategia colaborativa presenta mejoras respecto a la anterior en términos de protección frente al ruido en escenarios de ruido más complejos donde aporta una mejora del 50% comparada con la estrategia anterior. ABSTRACT Energy consumption in Wireless Sensor Networks (WSNs) is a known historical problem that has been addressed from different areas and on many levels. But this problem should not only be approached from the point of view of their own efficiency for survival. A major portion of communication traffic has migrated to mobile networks and systems. The increased use of smart devices and the introduction of the Internet of Things (IoT) give WSNs a great influence on the carbon footprint. Thus, optimizing the energy consumption of wireless networks could reduce their environmental impact considerably. In recent years, another problem has been added to the equation: spectrum saturation. Wireless Sensor Networks usually operate in unlicensed spectrum bands such as Industrial, Scientific, and Medical (ISM) bands shared with other networks (mainly Wi-Fi and Bluetooth). To address the efficient spectrum utilization problem, Cognitive Radio (CR) has emerged as the key technology that enables opportunistic access to the spectrum. Therefore, the introduction of cognitive capabilities to WSNs allows optimizing their spectral occupation. Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs) do not only increase the reliability of communications, but they also have a positive impact on parameters such as the Quality of Service (QoS), network security, or energy consumption. These new opportunities introduced by CWSNs unveil a wide field in the energy consumption research area. However, this also implies some challenges. Specifically, the spectrum sensing stage, collaboration among devices (which requires extra communication), and changes in the transmission parameters increase the total energy consumption of the network. When designing CWSN optimization strategies, the fact that WSN nodes are very limited in terms of memory, computational power, or energy consumption has to be considered. Thus, light strategies that require a low computing capacity must be found. Since the field of energy conservation in WSNs has been widely explored, we assume that new strategies could emerge from the new opportunities presented by cognitive networks. In this PhD Thesis, we present two strategies for energy consumption reduction in CWSNs supported by three main pillars. The first pillar is that cognitive capabilities added to the WSN provide the ability to change the transmission parameters according to the spectrum. The second pillar is that the ability to collaborate is a basic characteristic of CWSNs. Finally, the third pillar for this work is the game theory as a decision-making algorithm, which has been widely used in WSNs due to its lightness and simplicity that make it valid to operate in CWSNs. For the development of these strategies, a complete analysis of the possibilities is first carried out by incorporating the cognitive abilities into the network. Once this analysis has been performed, we expose the hypotheses of this thesis related to the use of cognitive capabilities as a useful tool to reduce energy consumption in CWSNs. Once the analyses are exposed, we present the main contribution of this thesis: the two designed strategies for energy consumption reduction based on game theory and cognitive capabilities. The first one is based on a non-cooperative game played between two players in a simple and selfish way. In the second strategy, the concept of collaboration is introduced. Despite the fact that the game used is also a non-cooperative game, the decisions are taken through collaboration. For each strategy, we present the modeled game, the formal analysis of equilibrium and optimum, and the complete strategy describing the interaction between nodes. In order to test the strategies through simulation and implementation in real devices, we have developed a CWSN framework composed by a CWSN simulator based on Castalia and a testbed based on CWSN nodes able to communicate in three different ISM bands. We present and discuss the results derived by the energy optimization strategies. The first strategy brings energy improvement rates of over 65% compared to WSN without cognitive techniques. It also brings energy improvement rates of over 25% compared with sensing strategies for changing channels based on a decision threshold. We have also seen that the algorithm behaves similarly even with significant variations in the level of noise while working in a uniform noise scenario. The collaborative strategy presents improvements respecting the previous strategy in terms of noise protection when the noise scheme is more complex where this strategy shows improvement rates of over 50%.

La gestión de la sequía: contribuciones para su evaluación

La sequía afecta a todos los sectores de la sociedad y se espera que su frecuencia e intensidad aumente debido al cambio climático. Su gestión plantea importantes retos en el futuro. El enfoque de riesgo, que promueve una respuesta proactiva, se identifica como un marco de gestión apropiado que se está empezando a consolidar a nivel internacional. Sin embargo, es necesario contar con estudios sobre las características de la gestión de la sequía bajo este enfoque y sus implicaciones en la práctica. En esta tesis se evalúan diversos elementos que son relevantes para la gestión de la sequía, desde diferentes perspectivas, con especial énfasis en el componente social de la sequía. Para esta investigación se han desarrollado cinco estudios: (1) un análisis de las leyes de emergencia aprobadas durante la sequía 2005-2008 en España; (2) un estudio sobre la percepción de la sequía de los agricultores a nivel local; (3) una evaluación de las características y enfoque de gestión en seis casos de estudio a nivel europeo; (4) un análisis sistemático de los estudios de cuantificación de la vulnerabilidad a la sequía a nivel global; y (5) un análisis de los impactos de la sequía a partir en una base de datos europea. Los estudios muestran la importancia de la capacidad institucional como un factor que promueve y facilita la adopción del enfoque de riesgo. Al mismo tiempo, la falta de estudios de vulnerabilidad, el escaso conocimiento de los impactos y una escasa cultura de la evaluación post-sequía destacan como importantes limitantes para aprovechar el conocimiento que se genera en la gestión de un evento. A través del estudio de las leyes de sequía se evidencia la existencia de incoherencias entre cómo se define el problema de la sequía y las soluciones que se plantean, así como el uso de un discurso de securitización para perseguir objetivos más allá de la gestión de la sequía. El estudio de percepción permite identificar la existencia de diferentes problemas y percepciones de la sequía y muestra cómo los regantes utilizan principalmente los impactos para identificar y caracterizar la severidad de un evento, lo cual difiere de las definiciones predominantes a otros niveles de gestión. Esto evidencia la importancia de considerar la diversidad de definiciones y percepciones en la gestión, para realizar una gestión más ajustada a las necesidades de los diferentes sectores y colectivos. El análisis de la gestión de la sequía en seis casos de estudio a nivel europeo ha permitido identificar diferentes niveles de adopción del enfoque de riesgo en la práctica. El marco de análisis establecido, que se basa en seis dimensiones de análisis y 21 criterios, ha resultado ser una herramienta útil para diagnosticar los elementos que funcionan y los que es necesario mejorar en relación a la gestión del riesgo a la sequía. El análisis sistemático de los estudios de vulnerabilidad ha evidenciado la heterogeneidad en los marcos conceptuales utilizados así como debilidades en los factores de vulnerabilidad que se suelen incluir, en muchos casos derivada de la falta de datos. El trabajo sistemático de recolección de información sobre impactos de la sequía ha evidenciado la escasez de información sobre el tema a nivel europeo y la importancia de la gestión de la información. La base de datos de impactos desarrollada tiene un gran potencial como herramienta exploratoria y orientativa del tipo de impactos que produce la sequía en cada región, pero todavía presenta algunos retos respecto a su contenido, proceso de gestión y utilidad práctica. Existen importantes limitaciones vinculadas con el acceso y la disponibilidad de información y datos relevantes vinculados con la gestión de la sequía y todos sus componentes. La participación, los niveles de gestión, la perspectiva sectorial y las relaciones entre los componentes de gestión del riesgo considerados constituyen aspectos críticos que es necesario mejorar en el futuro. Así, los cinco artículos en su conjunto presentan ejemplos concretos que ayudan a conocer mejor la gestión de la sequía y que pueden resultar de utilidad para políticos, gestores y usuarios. ABSTRACT Drought affects all sectors and their frequency and intensity is expected to increase due to climate change. Drought management poses significant challenges in the future. Undertaking a drought risk management approach promotes a proactive response, and it is starting to consolidate internationally. However, it is still necessary to conduct studies on the characteristics of drought risk management and its practical implications. This thesis provides an evaluation of various relevant aspects of drought management from different perspectives and with special emphasis on the social component of droughts. For the purpose of this research a number of five studies have been carried out: (1) analysis of the emergency laws adopted during the 2005-2008 drought in Spain; (2) study of farmers perception of drought at a local level; (3) assessment of the characteristics and drought management issues in six case studies across Europe; (4) systematic analysis of drought vulnerability assessments; and (5) analysis of drought impacts from an European impacts text-based database. The results show the importance of institutional capacity as a factor that promotes and facilitates the adoption of a risk approach. In contrast, the following issues are identified as the main obstacles to take advantage of the lessons learnt: (1) lack of vulnerability studies, (2) limited knowledge about the impact and (3) limited availability of post-drought assessments Drought emergency laws evidence the existence of inconsistencies between drought problem definition and the measures proposed as solutions. Moreover, the securitization of the discourse pursue goals beyond management drought. The perception of drought by farmers helps to identify the existence of several definitions of drought. It also highlights the importance of impacts in defining and characterizing the severity of an event. However, this definition differs from the one used at other institutional and management level. As a conclusion, this remarks the importance of considering the diversity of definitions and perceptions to better tailor drought management to the needs of different sectors and stakeholders. The analysis of drought management in six case studies across Europe show different levels of risk adoption approach in practice. The analytical framework proposed is based on six dimensions and 21 criteria. This method has proven to be a useful tool in diagnosing the elements that work and those that need to be improved in relation to drought risk management. The systematic analysis of vulnerability assessment studies demonstrates the heterogeneity of the conceptual frameworks used. Driven by the lack of relevant data, the studies point out significant weaknesses of the vulnerabilities factors that are typically included The heterogeneity of the impact data collected at European level to build the European Drought Impact Reports Database (EDII) highlights the importance of information management. The database has great potential as exploratory tool and provides indicative useful information of the type of impacts that occurred in a particular region. However, it still presents some challenges regarding their content, the process of data collection and management and its usefulness. There are significant limitations associated with the access and availability of relevant information and data related to drought management and its components. The following improvement areas on critical aspects have been identified for the near future: participation, levels of drought management, sectorial perspective and in-depth assessment of the relationships between the components of drought risk management The five articles presented in this dissertation provides concrete examples of drought management evaluation that help to better understand drought management from a risk-based perspective which can be useful for policy makers, managers and users.