Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

An approach to stakeholders involvement in the preparedness for nuclear and radiological emergency response & recovery in Spain

The elaboration of a generic decision-making strategy to address the evolution of an emergency situation, from the stages of response to recovery, and including a planning stage, can facilitate timely, effective and consistent decision making by the response organisations at every level within the emergency management structure and between countries, helping to ensure optimal protection of health, environment, and society. The degree of involvement of stakeholders in this process is a key strategic element for strengthening the local preparedness and response and can help a successful countermeasures strategy. A significant progress was made with the multi-national European project EURANOS (2004-2009) which brought together best practice, knowledge and technology to enhance the preparedness for Europe's response to any radiation emergency and long term contamination. The subsequent establishment of a European Technology Platform and the recent launch of the research project NERIS-TP ("Towards a self sustaining European Technology Platform (NERIS-TP) on Preparedness for Nuclear and Radiological Emergency Response and Recovery") are aimed to continue with the remaining tasks for gaining appropriate levels of emergency preparedness at local level in most European countries. One of the objectives of the NERIS-TP project is: Strengthen the preparedness at the local/national level by setting up dedicated fora and developing new tools or adapting the tools developed within the EURANOS projects (such as the governance framework for preparedness, the handbooks on countermeasures, the RODOS system, and the MOIRA DSS for long term contamination in catchments) to meet the needs of local communities. CIEMAT and UPM in close interaction with the Nuclear Safety Council will explore, within this project, the use and application in Spain of such technical tools, including other national tools and information and communication strategies to foster cooperation between local, national and international stakeholders. The aim is identify and involve relevant stakeholders in emergency preparedness to improve the development and implementation of appropriate protection strategies as part of the consequence management and the transition to recovery. In this paper, an overview of the "state of the art" on this area in Spain and the methodology and work Plan proposed by the Spanish group within the project NERIS to grow the stakeholder involvement in the preparedness to emergency response and recovery is presented.

Modelo multidimensional de los factores que afectan la interacción entre marketing y ventas en el lanzamiento de nuevos productos en Latino América

Esta tesis se centra en la identificación y análisis de los factores que pueden favorecer o actuar como barreras del éxito de la implementación de la innovación y las relaciones entre sí, desde el enfoque de la interface marketing-ventas. El trabajo empírico se enmarca en el vacío de investigación existente en el campo del proceso de lanzamiento de nuevos productos en los mercados donde operan subsidiarias de empresas multinacionales de consumo masivo (FMCG). Las empresas FMCG son altamente dependientes de la innovación como proceso clave determinante del crecimiento competitivo de mediano y largo plazo. En un contexto de acortamiento del ciclo de vida de los productos, como resultado del desarrollo tecnológico y científico que impactan en el comportamiento de los consumidores, las empresas invierten un mayor nivel de recursos en el desarrollo de nuevos productos, reingeniería y programas de innovación (Mundra, Gulati y Gupta, 2013). Sin embargo, a pesar del aumento en la inversión, las tasas de éxito de la innovación reportadas son inferiores al 25% (Evanschitzky, Eisend, Calantone y Jiang, 2012). Aumentar las tasas de éxito de los proyectos de innovación es reconocida en la literatura como un elemento clave para la supervivencia y competitividad de las empresas, para ser superiores a su competencia y desarrollar nuevos modelos de negocios. A pesar de la existencia de estudios que intentan comprender el proceso de lanzamiento de nuevos productos, no se ha identificado un claro prototipo de gestión de la innovación (Gupta et al, 2007). Profundizando en los factores de éxito, los autores Keupp, Palmié y Gassman (2012) reconocen que la innovación exitosa no depende solamente de la estrategia de selección de los proyectos de innovación, sino también la forma en que los mismos son implementados (Klein and Sorra, 1996; Repenning, 2002; Keupp, Palmié y Gassmann, 2012). Al analizar la implementación de los proyectos de lanzamiento de nuevos productos al mercado, en empresas FMCG, dicho proceso es responsabilidad principalmente de las funciones de marketing y ventas a través de la comunicación con los consumidores y los clientes respectivamente (Ernst, Hoyer y Rubsaamen, 2010). Es decir que el éxito en la implementación de la innovación requiere la gestión efectiva de la relación inter-funcional entre marketing y ventas (Ernst, Hoyer y Rubsaamen, 2010; Hughes, Le Bon y Malshe, 2012). A pesar de la importancia de la integración entre marketing y ventas en la conceptualización e implementación de la innovación, este tema no ha sido estudiado en profundidad (Hughes, Le Bon y Malshe, 2012; Keupp, Palmié y Gassmann, 2012). En las empresas multinacionales, está demostrado que el desempeño de las subsidiarias determinan el éxito competitivo de la empresa a nivel global. El desafío de dichas subsidiarias es conjugar el desarrollo global de innovación y comunicación con las características locales de comportamiento del consumidor y el mercado. Por lo tanto, esta investigación empírica responde a la pregunta académica y de gestión acerca de cómo mejorar las tasas de éxito de lanzamiento de nuevos productos al mercado en subsidiarias de empresas de consumo masivo, desde la perspectiva de la relación entre marketing y ventas. En particular analiza cómo afectan la formalización de los procesos y los mecanismos de comunicación a la confianza interpersonal y a la efectividad de la interface marketing-ventas y dichos factores a su vez sobre la planificación integrada de la implementación de la innovación. La determinación de los factores o ítems que conforman cada uno de los constructos del proceso de ejecución de la innovación, se llevó a cabo a partir de una revisión exhaustiva del estado del arte de la literatura sobre las interfaces funcionales y el proceso de innovación. Posteriormente, los ítems seleccionados (más de 50 en total) fueron validados por referentes de marketing y ventas de Argentina y Uruguay a través de entrevistas en profundidad. A partir de los factores identificados se construyeron dos modelos teóricos: • (1) relativo a la influencia de las dimensiones de confianza interpersonal sobre la efectividad de las uniones inter-funcionales y como los mecanismos organizacionales, tales como la frecuencia y la calidad de la comunicación entre las áreas, afectan la confianza y la relación entre ellas; • (2) relativo a la dimensión planificación integrada de la implementación de la innovación, ya que durante el lanzamiento de nuevos productos al mercado, marketing y ventas utilizan procesos formales que facilitan la comunicación frecuente y efectiva, desarrollando confianza inter-personal que no solamente afecta la efectividad de su relación sino también el desarrollo de planes integrados entre ambas áreas. El estudio fue llevado a cabo en una empresa multinacional de consumo masivo que integra la lista Global 500 (Fortune, 2015), presente en todo el mundo con más de 25 marcas participantes en más de 15 categorías, implementando 150 proyectos de innovación en el último año. El grupo de subsidiarias en estudio fue reconocido a nivel mundial por su desempeño en crecimiento competitivo y su alta contribución al crecimiento total. El modelo analizado en esta tesis fue expandido al resto de América Latina, tratándose entonces de un caso ejemplar que representa una práctica de excelencia en la implementación de la innovación en subsidiarias de una empresa multinacional. La recolección de los datos fue llevado a cabo a través de un cuestionario estructurado y confidencial, enviado a la base de datos de todo el universo de directores y gerentes de marketing y ventas. El nivel de respuesta fue muy elevado (70%), logrando 152 casos válidos. El análisis de datos comprendió el análisis descriptivo de los mismos, estimación de fiabilidad y análisis factorial exploratorio a través del software SPSS v.20. El análisis factorial confirmatorio y el análisis de senderos para examinar las relaciones entre los factores se estudiaron mediante el software R (Package 2.15.1., R Core Team, 2012) (Fox, 2006). Finalmente se llevaron a cabo entrevistas en profundidad a gerentes de marketing y ventas de cada uno de los seis países con el fin de profundizar en los constructos y sus relaciones. Los resultados de los modelos demuestran que la frecuencia de comunicación impacta positivamente en la calidad de la misma, que a su vez afecta directamente la relación entre marketing y ventas. Adicionalmente, la calidad de la comunicación impacta sobre la confianza cognitiva, que a su vez se relaciona no solamente con la confianza afectiva sino también con la relación entre ambas áreas. Esto significa que para mejorar la implementación de la innovación, los gerentes deberían orientarse a reforzar la relación entre marketing y ventas facilitando la construcción de confianza interpersonal primero cognitiva y luego afectiva, incrementando la frecuencia de la comunicación que alimenta la calidad de la comunicación entre ambas áreas. A través del segundo modelo se demuestra que durante el lanzamiento de nuevos productos al mercado, marketing y ventas necesitan emplear procesos formales que faciliten la comunicación frecuente y efectiva. De esta forma se contrarresta el efecto negativo de la formalización sobre la planificación integrada entre ambas áreas. Adicionalmente, los gerentes de ambos departamentos deberían promover la construcción de confianza interpersonal, no solamente para mejorar la efectividad de la relación, sino también para desarrollar planes integrados de implementación de nuevos productos. Finalmente, se valida que la frecuencia de la comunicación, la confianza afectiva y la relación marketing-ventas, se relacionan positivamente con la planificación integrada en la implementación de la innovación. El estudio contribuye a la comprensión de los factores que las empresas pueden emplear para mejorar la relación inter-funcional entre marketing y ventas y la implementación de la innovación en empresas de consumo masivo. El aporte de esta investigación puede ser valorado de dos maneras, los aportes a la gestión y a la academia. Desde el punto de vista empresarial, provee a los líderes al frente de empresas de consumo masivo, del conocimiento sobre los factores que afectan la implementación de la innovación y en definitiva el éxito del negocio a mediano y largo plazo. Desde el punto de vista académico aporta al conocimiento del proceso de implementación de la innovación y en la efectividad de la interface marketing y ventas en un caso de buenas prácticas en el mercado de consumo masivo. A su vez incorpora por primera vez un estudio empírico en geografías emergentes capaces de recuperar el camino de crecimiento posterior a una profunda crisis económica a través de la exitosa implementación de la innovación en sus mercados. ABSTRACT This thesis is focused on the identification, analysis and relationship study of factors which may benefit or hinder the successful deployment of innovation, from a marketing-sales interface perspective. Considering the non-existent investigation dedicated to the study of new products launches into markets in which Fast Moving Consumer Goods (FMCG) companies’ subsidiaries operate, it is that this investigation has been carried out. FMCG companies rely on innovation as their key process for a competitive growth on a medium and long term basis. Nowadays, the life-cycle of products is getting shorter as a result of new technological and scientific development, having impact on consumer behavior, and therefore companies are forced to dedicating more resources to the development of new products, reengineering and innovation programs (Mundra, Gulati and Gupta, 2013). However, in spite of the investment increase, the innovation success rates have been reported to be lower than 25% (Evanschitzky, Eisend, Calantone y Jiang, 2012). Increasing success rates on innovation processes has been considered as a key element on the survival and competitiveness of companies, outperforming competitors and developing new business models. Despite new studies which try to comprehend the process of new products launch, a prototype of innovation management has not yet been identified (Gupta et al, 2007). Emphasizing on success factors, authors Keupp, Palmié and Gassman (2012) recognize that successful innovation does not solely depend on innovation processes’ selection strategy, but it is also based on the way in which these are implemented (Klein and Sorra, 1996; Repenning, 2002; Keupp, Palmié y Gassmann, 2012). While analyzing the implementation of projects for new products releases on massive consumption companies, the two departments in charge of taking this forward are marketing and sales, by focusing on communication strategies with consumers and clients respectively (Ernst, Hoyer y Rubsaamen, 2010). This means that having success on innovation implementation requires an effective management of inter-functional relationship among marketing and sales (Ernst, Hoyer y Rubsaamen, 2010; Hughes, Le Bon y Malshe, 2012). In spite of the importance on the integration between marketing and sales on the conceptualization and implementation of innovation, this subject has not been studied in depth (Hughes, Le Bon y Malshe, 2012; Keupp, Palmié y Gassmann, 2012). In multinational companies, previous research has confirmed that the performance of their subsidiaries determine the competitive success of the company on a global scale. The challenge of said subsidiaries is to conjugate the global innovation development and communication with the local consumer and market behavior. Therefore, this empirical study aims to respond to the academic and management question of how to improve the success rates of new product launches into MNE subsidiary’ markets, from a marketing-sales relationship perspective. Particularly, this investigation analyses how the formalization of products and communication mechanisms affect interpersonal trust and marketing-sales interface effectiveness and also on how these factors affect the overall planning of the implementation of innovation. The determination of which factors build the hypothesis of the innovation execution process was taken forward through an extensive research on the extant literature on functional interfaces and innovation processes. More than 50 items were selected which were in turn validated by marketing and sales referents on Uruguay and Argentina through in depth interviews. Based on the identified factors, two theoretical models were proposed: (1) Relative to the influence that interpersonal trust dimensions have on inter functional linkages effectiveness and how organizational mechanisms such as frequency and quality of communication between departments affect trust and their relationship. (2) Relative to the integrated planning and innovation implementation dimensions. Marketing and sales department use formal process thus allowing inter-personal trust, which affects positively their relationship and also enables the development of integrated planning between them. The study was performed within a massive consumption company which is part of the “Global 500” (Fortune, 2015), with subsidiaries all over the world and more than 25 participant brands in 15 categories, having implemented over 150 innovation projects in the year under study. The analyzed subsidiary group has been awarded worldwide for their performance in competitive growth and their high contribution to the total growth. The model being analyzed in this thesis was implemented throughout Latin America, representing a remarkable case of innovation implementation excellence for subsidiaries of multinational companies. Data recollection was carried out through a structured and confidential questionnaire, sent to the universe of marketing-sales directors and managers’ database available with a high level of responsiveness of 70%, resulting in 152 valid cases. Data exploration involved a descriptive analysis, followed by a reliability estimation and an exploratory factorial analysis carried out through SPSS v.20. Confirmatory factorial analysis and path analysis (to examine relations between the different study factors) were studied using “R” software (Package 2.15.1., R Core Team, 2012) (Fox, 2006). Finally, in depth interviews were carried out to several marketing and sales managers in each of the six countries so as to further confirm the hypothesis and their relations. The models results prove that communication frequency has a positive impact on the quality of the same, which in turn has direct effects on the marketing-sales relations. Additionally, communication quality has an impact on the cognitive trust, which also relates not only to affective trust, but also to the relation between both areas. This means that in order to improve the implementation of innovation, managers should strive to enforce marketing-sales relations, facilitating the interpersonal trust construction (firstly cognitive, followed by affective trust), increasing the communication frequency, and therefore nurturing the communication quality among both areas. Through the second model, the results confirm the importance of creating effective relationships between sales and marketing to facilitate planning integrated new product implementations. While formalized new product development processes provide opportunities for sales and marketing to communicate, this does not directly influence the planning of integrated new product implementations. By using these formal opportunities to communicate to create information quality, it is possible to improve sales and marketing’s ability to integrate information during the planning process. Further, communication quality creates inter-personal trust in the other party’s competences (cognitive-based trust), leading to affect-based trust. Affect-based inter-personal trust, not only to improve the overall effectiveness of the sales and marketing relationship, but also helps in planning integrated new product implementations. This study contributes to the understanding of factors which enterprises can use to improve the inter-functional relations between marketing and sales, and the implementation of innovation in FMCG companies. The contribution of this investigation can be measured in two ways: enrichment of management and contribution to the academic area. From a business perspective, it provides massive consumption businesses leaders with knowledge on which factors affect innovation implementation, which results on mid and long-term success for the company. From an academic point of view, it provides knowledge on a prototype of successful innovation implementation management based on the marketing-sales interface effectiveness through a case study in the FMCG consumption market. Last but not least, it incorporates for the first time an empiric study on emerging geographies capable of recovery post a deep economic crisis through successful innovation implementation on their markets.

Improving engineering students' communication competence: designing innovative learning strategies

This research presents an innovative and formal educational initiative that is aimed at enhancing the development of engineering students’ specific competencies when studying Engineering Project Management subject. The framework of the experience combines theoretical concepts, the development of a real-case project carried out by multidisciplinary groups of three different universities, the use of software web 2.0 tools, and group and individual assignments of students that play different roles (project managers and team members). Under this scenario, this paper focuses on monitoring the communication competence in the ever growing Project Management virtual environment. Factors such as corporal language, technical means, stage, and management specific vocabulary among others have been considered in order to assess the students’ performance on this issue. As a main contribution, the paper introduces an ad-hoc rubric that, based on previous investigations, has been adapted and tested to this specific context. Additionally, the research conducted has provided some interesting findings that suggest further actions to improve and better define future rubrics, oriented to communication or even other competencies. As specific Project Management subject concerns, it has been detected that students playing the role of Project Managers strengthen their competencies more than those ones that play the role of Team Members. It has also been detected that students have more difficulty assimilating concepts related to risk and quality management. However those concepts related with areas of knowledge like scope, time or cost have been better assimilated by the students.

Design and evaluation of acceleration strategies for speeding up the development of dialog applications

In this paper, we describe a complete development platform that features different innovative acceleration strategies, not included in any other current platform, that simplify and speed up the definition of the different elements required to design a spoken dialog service. The proposed accelerations are mainly based on using the information from the backend database schema and contents, as well as cumulative information produced throughout the different steps in the design. Thanks to these accelerations, the interaction between the designer and the platform is improved, and in most cases the design is reduced to simple confirmations of the “proposals” that the platform dynamically provides at each step. In addition, the platform provides several other accelerations such as configurable templates that can be used to define the different tasks in the service or the dialogs to obtain or show information to the user, automatic proposals for the best way to request slot contents from the user (i.e. using mixed-initiative forms or directed forms), an assistant that offers the set of more probable actions required to complete the definition of the different tasks in the application, or another assistant for solving specific modality details such as confirmations of user answers or how to present them the lists of retrieved results after querying the backend database. Additionally, the platform also allows the creation of speech grammars and prompts, database access functions, and the possibility of using mixed initiative and over-answering dialogs. In the paper we also describe in detail each assistant in the platform, emphasizing the different kind of methodologies followed to facilitate the design process at each one. Finally, we describe the results obtained in both a subjective and an objective evaluation with different designers that confirm the viability, usefulness, and functionality of the proposed accelerations. Thanks to the accelerations, the design time is reduced in more than 56% and the number of keystrokes by 84%.

A Tele-Health Communication and Information System for Underserved Children in Rural Areas of Nicaragua

Millennium Development Goals point out the necessity of actively promoting maternal-child health care status, especially in underserved areas. This article details the development actions carried out between 2008 and 2011 in some rural communities of Nicaragua with the aim to provide a low-cost tele-health communication service. The service is managed by the health care center of Cusmapa, which leads the program and maintains a communication link between its health staff and the health brigades of 26 distant communities. Local agents can use the system to report urgent maternal-child health care episodes to be assessed through WiMAX-WiFi voice and data communications attended by two physicians and six nurses located at the health care center. The health and nutritional status of the maternal-child population can be monitored to prevent diseases, subnutrition, and deaths. The action approach assumes the fundamentals of appropriate technology and looks for community- based, sustainable, replicable, and scalable solutions to ensure future deployments according to the strategies of the United Nations.

How vague can your patent be? Vagueness strategies in U.S. patents

Patent claims defi ne the protection scope of the intellectual property sought by the patent applicant or patentee. Broad claims are valuable as they can describe more expansive rights to the invention. Therefore, if these claims are too broad a potential infringer will more easily argue against them. But if the claims are too narrow the scope of protection of the intellectual property is greatly reduced. Patent claims have to be, on the one hand, determinate and precise enough and, on the other hand, as inclusive as possible. Therefore patent applicants must fi nd a balance in the broadness of the scope defi ned by their claims. This balance can be achieved by the choice of words with a convenient degree of semantic indeterminacy, by the choice of modifi ers or other strategies. In fact, vagueness in patent claims is a desirable characteristic for such documents. A quantitative and qualitative analysis of a corpus of 350 U.S. patents provides a promising starting point to understand the linguistic instruments used to achieve the balance between property claim scope and precision of property description. To conclude, some issues relating vagueness and pragmatics are suggested as a line of further research.

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%.

Contribution to the improvement of communication services in nanosatellite constellations using delay and disruption tolerant networking based architectures

Esta tesis se desarrolla dentro del marco de las comunicaciones satelitales en el innovador campo de los pequeños satélites también llamados nanosatélites o cubesats, llamados así por su forma cubica. Estos nanosatélites se caracterizan por su bajo costo debido a que usan componentes comerciales llamados COTS (commercial off-the-shelf) y su pequeño tamaño como los Cubesats 1U (10cm*10 cm*10 cm) con masa aproximada a 1 kg. Este trabajo de tesis tiene como base una iniciativa propuesta por el autor de la tesis para poner en órbita el primer satélite peruano en mi país llamado chasqui I, actualmente puesto en órbita desde la Estación Espacial Internacional. La experiencia de este trabajo de investigación me llevo a proponer una constelación de pequeños satélites llamada Waposat para dar servicio de monitoreo de sensores de calidad de agua a nivel global, escenario que es usado en esta tesis. Es ente entorno y dadas las características limitadas de los pequeños satélites, tanto en potencia como en velocidad de datos, es que propongo investigar una nueva arquitectura de comunicaciones que permita resolver en forma óptima la problemática planteada por los nanosatélites en órbita LEO debido a su carácter disruptivo en sus comunicaciones poniendo énfasis en las capas de enlace y aplicación. Esta tesis presenta y evalúa una nueva arquitectura de comunicaciones para proveer servicio a una red de sensores terrestres usando una solución basada en DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) para comunicaciones espaciales. Adicionalmente, propongo un nuevo protocolo de acceso múltiple que usa una extensión del protocolo ALOHA no ranurado, el cual toma en cuenta la prioridad del trafico del Gateway (ALOHAGP) con un mecanismo de contienda adaptativo. Utiliza la realimentación del satélite para implementar el control de la congestión y adapta dinámicamente el rendimiento efectivo del canal de una manera óptima. Asumimos un modelo de población de sensores finito y una condición de tráfico saturado en el que cada sensor tiene siempre tramas que transmitir. El desempeño de la red se evaluó en términos de rendimiento efectivo, retardo y la equidad del sistema. Además, se ha definido una capa de convergencia DTN (ALOHAGP-CL) como un subconjunto del estándar TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergency Layer). Esta tesis muestra que ALOHAGP/CL soporta adecuadamente el escenario DTN propuesto, sobre todo cuando se utiliza la fragmentación reactiva. Finalmente, esta tesis investiga una transferencia óptima de mensajes DTN (Bundles) utilizando estrategias de fragmentación proactivas para dar servicio a una red de sensores terrestres utilizando un enlace de comunicaciones satelitales que utiliza el mecanismo de acceso múltiple con prioridad en el tráfico de enlace descendente (ALOHAGP). El rendimiento efectivo ha sido optimizado mediante la adaptación de los parámetros del protocolo como una función del número actual de los sensores activos recibidos desde el satélite. También, actualmente no existe un método para advertir o negociar el tamaño máximo de un “bundle” que puede ser aceptado por un agente DTN “bundle” en las comunicaciones por satélite tanto para el almacenamiento y la entrega, por lo que los “bundles” que son demasiado grandes son eliminados o demasiado pequeños son ineficientes. He caracterizado este tipo de escenario obteniendo una distribución de probabilidad de la llegada de tramas al nanosatélite así como una distribución de probabilidad del tiempo de visibilidad del nanosatélite, los cuales proveen una fragmentación proactiva óptima de los DTN “bundles”. He encontrado que el rendimiento efectivo (goodput) de la fragmentación proactiva alcanza un valor ligeramente inferior al de la fragmentación reactiva. Esta contribución permite utilizar la fragmentación activa de forma óptima con todas sus ventajas tales como permitir implantar el modelo de seguridad de DTN y la simplicidad al implementarlo en equipos con muchas limitaciones de CPU y memoria. La implementación de estas contribuciones se han contemplado inicialmente como parte de la carga útil del nanosatélite QBito, que forma parte de la constelación de 50 nanosatélites que se está llevando a cabo dentro del proyecto QB50. ABSTRACT This thesis is developed within the framework of satellite communications in the innovative field of small satellites also known as nanosatellites (<10 kg) or CubeSats, so called from their cubic form. These nanosatellites are characterized by their low cost because they use commercial components called COTS (commercial off-the-shelf), and their small size and mass, such as 1U Cubesats (10cm * 10cm * 10cm) with approximately 1 kg mass. This thesis is based on a proposal made by the author of the thesis to put into orbit the first Peruvian satellite in his country called Chasqui I, which was successfully launched into orbit from the International Space Station in 2014. The experience of this research work led me to propose a constellation of small satellites named Waposat to provide water quality monitoring sensors worldwide, scenario that is used in this thesis. In this scenario and given the limited features of nanosatellites, both power and data rate, I propose to investigate a new communications architecture that allows solving in an optimal manner the problems of nanosatellites in orbit LEO due to the disruptive nature of their communications by putting emphasis on the link and application layers. This thesis presents and evaluates a new communications architecture to provide services to terrestrial sensor networks using a space Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) based solution. In addition, I propose a new multiple access mechanism protocol based on extended unslotted ALOHA that takes into account the priority of gateway traffic, which we call ALOHA multiple access with gateway priority (ALOHAGP) with an adaptive contention mechanism. It uses satellite feedback to implement the congestion control, and to dynamically adapt the channel effective throughput in an optimal way. We assume a finite sensor population model and a saturated traffic condition where every sensor always has frames to transmit. The performance was evaluated in terms of effective throughput, delay and system fairness. In addition, a DTN convergence layer (ALOHAGP-CL) has been defined as a subset of the standard TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergence Layer). This thesis reveals that ALOHAGP/CL adequately supports the proposed DTN scenario, mainly when reactive fragmentation is used. Finally, this thesis investigates an optimal DTN message (bundles) transfer using proactive fragmentation strategies to give service to a ground sensor network using a nanosatellite communications link which uses a multi-access mechanism with priority in downlink traffic (ALOHAGP). The effective throughput has been optimized by adapting the protocol parameters as a function of the current number of active sensors received from satellite. Also, there is currently no method for advertising or negotiating the maximum size of a bundle which can be accepted by a bundle agent in satellite communications for storage and delivery, so that bundles which are too large can be dropped or which are too small are inefficient. We have characterized this kind of scenario obtaining a probability distribution for frame arrivals to nanosatellite and visibility time distribution that provide an optimal proactive fragmentation of DTN bundles. We have found that the proactive effective throughput (goodput) reaches a value slightly lower than reactive fragmentation approach. This contribution allows to use the proactive fragmentation optimally with all its advantages such as the incorporation of the security model of DTN and simplicity in protocol implementation for computers with many CPU and memory limitations. The implementation of these contributions was initially contemplated as part of the payload of the nanosatellite QBito, which is part of the constellation of 50 nanosatellites envisaged under the QB50 project.