Integrable high order UWB pulse photonic generator based on cross phase modulation in a SOA-MZI

We propose and experimentally demonstrate a potentially integrable optical scheme to generate high order UWB pulses. The technique is based on exploiting the cross phase modulation generated in an InGaAsP Mach-Zehnder interferometer containing integrated semiconductor optical amplifiers, and is also adaptable to different pulse modulation formats through an optical processing unit which allows to control of the amplitude, polarity and time delay of the generated taps.

Generation of an UWB monocycle employing cross-phase modulation in a SOA-MZ interferometer

In the present article, an innovative approach for generation of an UWB monocycle is proposed and experimentally demonstrated. The proposed design features the combination of an interferometric device (SOA-Mach Zehnder interferometer) with an optical processor unit. The fusion of such components permits to generate, combine and customize UWB pulses. An optical pulse is used as pump signal and two optical carriers represent and the optical input of the system. The selection of a specific wavelength and therefore of a particular port provides the possibility of modifying the systems output pulse polarity. The capacity of transmitting several data sequence has been also evidenced.

Desarrollo de una aplicación Android para administración y gestión de la información de registro de servicios en una plataforma SOA

Este Proyecto Fin de Grado está enmarcado dentro de las actividades del GRyS (Grupo de Redes y Servicios de Próxima Generación) con las Smart Grids. En la investigación actual sobre Smart Grids se pretenden alcanzar los siguientes objetivos: . Integrar fuentes de energías renovables de manera efectiva. . Aumentar la eficiencia en la gestión de la demanda y suministro de forma dinámica. . Reducir las emisiones de CO2 dando prioridad a fuentes de energía verdes. . Concienciar del consumo de energía mediante la monitorización de dispositivos y servicios. . Estimular el desarrollo de un mercado vanguardista de tecnologías energéticamente eficientes con nuevos modelos de negocio. Dentro del contexto de las Smart Grids, el interés del GRyS se extiende básicamente a la creación de middlewares semánticos y tecnologías afines, como las ontologías de servicios y las bases de datos semánticas. El objetivo de este Proyecto Fin de Grado ha sido diseñar y desarrollar una aplicación para dispositivos con sistema operativo Android, que implementa una interfaz gráfica y los métodos necesarios para obtener y representar información de registro de servicios de una plataforma SOA (Service-Oriented Architecture). La aplicación permite: . Representar información relativa a los servicios y dispositivos registrados en una Smart Grid. . Guardar, cargar y compartir por correo electrónico ficheros HTML con la información anterior. . Representar en un mapa la ubicación de los dispositivos. . Representar medidas (voltaje, temperatura, etc.) en tiempo real. . Aplicar filtros por identificador de dispositivo, modelo o fabricante. . Realizar consultas SPARQL a bases de datos semánticas. . Guardar y cagar consultas SPARQL en ficheros de texto almacenados en la tarjeta SD. La aplicación, desarrollada en Java, es de código libre y hace uso de tecnologías estándar y abiertas como HTML, XML, SPARQL y servicios RESTful. Se ha tenido ocasión de probarla con la infraestructura del proyecto europeo e-Gotham (Sustainable-Smart Grid Open System for the Aggregated Control, Monitoring and Management of Energy), en el que participan 17 socios de 5 países: España, Italia, Estonia, Finlandia y Noruega. En esta memoria se detalla el estudio realizado sobre el Estado del arte y las tecnologías utilizadas en el desarrollo del proyecto, la implementación, diseño y arquitectura de la aplicación, así como las pruebas realizadas y los resultados obtenidos. ABSTRACT. This Final Degree Project is framed within the activities of the GRyS (Grupo de Redes y Servicios de Próxima Generación) with the Smart Grids. Current research on Smart Grids aims to achieve the following objectives: . To effectively integrate renewable energy sources. . To increase management efficiency by dynamically matching demand and supply. . To reduce carbon emissions by giving priority to green energy sources. . To raise energy consumption awareness by monitoring products and services. . To stimulate the development of a leading-edge market for energy-efficient technologies with new business models. Within the context of the Smart Grids, the interest of the GRyS basically extends to the creation of semantic middleware and related technologies, such as service ontologies and semantic data bases. The objective of this Final Degree Project has been to design and develop an application for devices with Android operating system, which implements a graphical interface and methods to obtain and represent services registry information in a Service-Oriented Architecture (SOA) platform. The application allows users to: . Represent information related to services and devices registered in a Smart Grid. . Save, load and share HTML files with the above information by email. . Represent the location of devices on a map. . Represent measures (voltage, temperature, etc.) in real time. . Apply filters by device id, model or manufacturer. . SPARQL query semantic database. . Save and load SPARQL queries in text files stored on the SD card. The application, developed in Java, is open source and uses open standards such as HTML, XML, SPARQL and RESTful services technologies. It has been tested in a real environment using the e-Gotham European project infrastructure (Sustainable-Smart Grid Open System for the Aggregated Control, Monitoring and Management of Energy), which is participated by 17 partners from 5 countries: Spain, Italy, Estonia, Finland and Norway. This report details the study on the State of the art and the technologies used in the development of the project, implementation, design and architecture of the application, as well as the tests performed and the results obtained.

Methodology for developing and application outsourcing in the cloud using SOA

New technologies such as, the new Information and Communication Technology ICT, break new paths and redefines the way we understand business, the Cloud Computing is one of them. The on demand resource gathering and the per usage payment scheme are now commonplace, and allows companies to save on their ICT investments. Despite the importance of this issue, we still lack methodologies that help companies, to develop applications oriented for its exploitation in the Cloud. In this study we aim to fill this gap and propose a methodology for the development of ICT applications, which are directed towards a business model, and further outsourcing in the Cloud. In the former the Development of SOA applications, we take, as a baseline scenario, a business model from which to obtain a business process model. To this end, we use software engineering tools; and in the latter The Outsourcing we propose a guide that would facilitate uploading business models into the Cloud; to this end we describe a SOA governance model, which controls the SOA. Additionally we propose a Cloud government that integrates Service Level Agreements SLAs, plus SOA governance, and Cloud architecture. Finally we apply our methodology in an example illustrating our proposal. We believe that our proposal can be used as a guide/pattern for the development of business applications.

UWB Monocycle Generator based on the non-linear effects of an SOA-integrated structure

In this letter, we propose and experimentally demonstrate a novel and single structure to generate ultra-wideband (UWB) pulses by means of the cross-phase modulation present in a semiconductor optical amplifier unified structure. The key components of this system is an integrated Mach-Zehnder interferometer with two semiconductor optical amplifiers and an optical processing unit. The fusion of these two components permits the generation and customization of UWB monocycle pulses. The polarity of the output pulses is easily modified through the single selection of a specific input port. Moreover, the capacity of transmitting several data sequences is demonstrated and the potentiality to adapt the system to different modulation formats is analyzed.

Multi Domain-Specific Modeling of the Security Concerns of Service-Oriented Architectures

Service-Oriented Architectures (SOA), and Web Services (WS), the technology generally used to implement them, achieve the integration of heterogeneous technologies, providing interoperability, and yielding the reutilization of pre-existent systems. Model-driven development methodologies provide inherent benefits such as increased productivity, greater reuse, and better maintainability, to name a few. Efforts on achieving model-driven development of SOAs already exist, but there is currently no standard solution that addresses non-functional aspects of these services as well. This paper presents an approach to integrate these non-functional aspects in the development of web services, with an emphasis on security.

A Metadirectory of Web Components for Mashup Composition

Because of the growing availability of third-party APIs, services, widgets and any other reusable web component, mashup developers now face a vast amount of candidate components for their developments. Moreover, these components quite often are scattered in many different repositories and web sites, which makes difficult their selection or discovery. In this paper, we discuss the problem of component selection in Service-Oriented Architectures (SOA) and Mashup-Driven Development, and introduce the Linked Mashups Ontology (LiMOn), a model that allows describing mashups and their components for integrating and sharing mashup information such as categorization or dependencies. The model has allowed the building of an integrated, centralized metadirectory of web components for query and selection, which has served to evaluate the model. The metadirectory allows accessing various heterogeneous repositories of mashups and web components while using external information from the Linked Data cloud, helping mashup development.

Provisión de servicios de procesado de imágenes basados en arquitecturas orientadas a servicios

Con este proyecto se pretende crear un procedimiento general para la implantación de aplicaciones de procesado de imágenes en cámaras de video IP y la distribución de dicha información mediante Arquitecturas Orientadas a Servicios (SOA). El objetivo principal es crear una aplicación que se ejecute en una cámara de video IP y realice un procesado básico sobre las imágenes capturadas (detección de colores, formas y patrones) permitiendo distribuir el resultado del procesado mediante las arquitecturas SOA descritas en la especificación DPWS (Device Profile for Web Services). El estudio se va a centrar principalmente en la transformación automática de código de procesado de imágenes escrito en Matlab (archivos .m) a un código C ANSI (archivos .c) que posteriormente se compilará para la arquitectura del procesador de la cámara (arquitectura CRIS, similar a la RISC pero con un conjunto reducido de instrucciones). ABSTRACT. This project aims to create a general procedure for the implementation of image processing applications in IP video cameras and the distribution of such information through Service Oriented Architectures (SOA). The main goal is to create an application that runs on IP video camera and carry out a basic processing on the captured images ( color detection, shapes and patterns) allowing to distribute the result of process by SOA architectures described in the DPWS specification (Device Profile for Web Services). The study will focus primarily on the automated transform of image processing code written in Matlab files (. M) to ANSI C code files (. C) which is then compiled to the processor architecture of the camera (CRIS architecture , similar to the RISC but with a reduced instruction set).

UWB doublet generation employing cross-phase modulation in a semiconductor optical amplifier mach-zehnder interferometer

In this paper, a novel method to generate ultrawideband (UWB) doublets is proposed and experimentally demonstrated, which is based on exploiting the cross-phase modulation in a semiconductor optical amplifier (SOA). The key component is an integrated SOA Mach-Zehnder interferometer pumped with an optical carrier modulated by a Gaussian pulse. The transfer function of the nonlinear conversion process leads to the generation of UWB doublet pulses by tuning the SOA currents to different values.

UWB doublet generation employing non-linear effects of a Semiconductor Optical Amplifier Mach-Zehnder inteferometer

In this article, a novel method to generate an ultra-wideband (UWB) doublet using the cross-phase modulation (XPM) effect is proposed and experimentally demonstrated. The main component of the submitted architecture is a SOA-Mach-Zehnder interferometer (MZI) pumped with a modulated Gaussian pulse. Maximum and minimum conversion points are analyzed through the systems transfer function in order to determinate the most effective operation stage. By tuning different values for the SOAs currents, it is possible to identify a conversion step in which the input pulse is enough large to saturate the SOAMZI, leading to the generation of a UWB doublet pulse.

UWB doublet generation in an integrated semiconductor optical amplifier Mach-Zehnder interferometer

In this paper, we propose and experimentally demonstrate a novel technique to generate ultrawideband (UWB) doublet pulses by exploiting the cross-phase modulation (XPM) in a semiconductor optical amplifier (SOA). The key component in the proposed system consists on an integrated SOA Mach-Zehnder interferometer (MZI) pumped with a Gaussian pulse modulated optical carrier. The transfer function of the nonlinear conversion process leads to the generation of UWB doublet pulses through the control of the biasing point of the SOA-MZI.

Modelo basado en técnicas de procesamiento de lenguaje natural para extraer y anotar información de publicaciones científicas

La rápida evolución experimentada en los últimos años por las tecnologías de Internet ha estimulado la proliferación de recursos software en varias disciplinas científicas, especialmente en bioinformática. En la mayoría de los casos, la tendencia actual es publicar dichos recursos como servicios accesibles libremente a través de Internet, utilizando tecnologías y patrones de diseño definidos para la implementación de Arquitecturas Orientadas a Servicios (SOA). La combinación simultánea de múltiples servicios dentro de un mismo flujo de trabajo abre la posibilidad de crear aplicaciones potencialmente más útiles y complejas. La integración de dichos servicios plantea grandes desafíos, tanto desde un punto de vista teórico como práctico, como por ejemplo, la localización y acceso a los recursos disponibles o la coordinación entre ellos. En esta tesis doctoral se aborda el problema de la identificación, localización, clasificación y acceso a los recursos informáticos disponibles en Internet. Con este fin, se ha definido un modelo genérico para la construcción de índices de recursos software con información extraída automáticamente de artículos de la literatura científica especializada en un área. Este modelo consta de seis fases que abarcan desde la selección de las fuentes de datos hasta el acceso a los índices creados, pasando por la identificación, extracción, clasificación y “curación” de la información relativa a los recursos. Para verificar la viabilidad, idoneidad y eficiencia del modelo propuesto, éste ha sido evaluado en dos dominios científicos diferentes—la BioInformática y la Informática Médica—dando lugar a dos índices de recursos denominados BioInformatics Resource Inventory (BIRI) y electronic-Medical Informatics Repository of Resources(e-MIR2) respectivamente. Los resultados obtenidos de estas aplicaciones son presentados a lo largo de la presente tesis doctoral y han dado lugar a varias publicaciones científicas en diferentes revistas JCR y congresos internacionales. El impacto potencial y la utilidad de esta tesis doctoral podrían resultar muy importantes teniendo en cuenta que, gracias a la generalidad del modelo propuesto, éste podría ser aplicado en cualquier disciplina científica. Algunas de las líneas de investigación futuras más relevantes derivadas de este trabajo son esbozadas al final en el último capítulo de este libro. ABSTRACT The rapid evolution experimented in the last years by the Internet technologies has stimulated the proliferation of heterogeneous software resources in most scientific disciplines, especially in the bioinformatics area. In most cases, current trends aim to publish those resources as services freely available over the Internet, using technologies and design patterns defined for the implementation of Service-Oriented Architectures (SOA). Simultaneous combination of various services into the same workflow opens the opportunity of creating more complex and useful applications. Integration of services raises great challenges, both from a theoretical to a practical point of view such as, for instance, the location and access to the available resources or the orchestration among them. This PhD thesis deals with the problem of identification, location, classification and access to informatics resources available over the Internet. On this regard, a general model has been defined for building indexes of software resources, with information extracted automatically from scientific articles from the literature specialized in the area. Such model consists of six phases ranging from the selection of data sources to the access to the indexes created, covering the identification, extraction, classification and curation of the information related to the software resources. To verify the viability, feasibility and efficiency of the proposed model, it has been evaluated in two different scientific domains—Bioinformatics and Medical Informatics—producing two resources indexes named BioInformatics Resources Inventory (BIRI) and electronic-Medical Informatics Repository of Resources (e-MIR2) respectively. The results and evaluation of those systems are presented along this PhD thesis, and they have produced different scientific publications in several JCR journals and international conferences. The potential impact and utility of this PhD thesis could be of great relevance considering that, thanks to the generality of the proposed model, it could be successfully extended to any scientific discipline. Some of the most relevant future research lines derived from this work are outlined at the end of this book.

CloudRoom: módulo de gestión de cursos online, abiertos y masivos

La razón de este proyecto, es la de desarrollar el módulo de cursos de la plataforma de Massive Online Open Courses (MOOCs), CloudRoom. Dicho módulo está englobado en una arquitectura orientada a servicios (SOA) y en una infraestructura de Cloud Computing utilizando Amazon Web Services (AWS). Nuestro objetivo es el de diseñar un Software as a Service (SaaS) robusto con las cualidades que a un producto de este tipo se le estiman: alta disponibilidad, alto rendimiento, gran experiencia de usuario y gran extensibilidad del sistema. Para lograrlo, se llevará a cabo la integración de las últimas tendencias tecnológicas dentro del desarrollo de sistemas distribuidos como Neo4j, Node.JS, Servicios RESTful, CoffeeScript. Todo esto siguiendo un estrategia de desarrollo PLAN-DO-CHECK utilizando Scrum y prácticas de metodologías ágiles. ---ABSTRACT---The reason of this Project is to develop the courses‟ module of CloudRoom, a Massive Online Open Courses platform. This module is encapsulated in a service-oriented architecture (SOA) based on a Cloud Computing infrastructure built on Amazon Web Services (AWS). Our goal is to design a robust Software as a Service (SaaS) with the qualities that are estimated in a product of this type: high availability, high performance, great user experience and great extensibility of the system. In order to address this, we carry out the integration of the latest technology trends in the development of distributed systems: Neo4j, Node.JS, RESTful Services and CoffeeScript. All of this, following a development strategy PLAN-DO-CHECK, using Scrum and practices of agile methodologies.

Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

El auge del "Internet de las Cosas" (IoT, "Internet of Things") y sus tecnologías asociadas han permitido su aplicación en diversos dominios de la aplicación, entre los que se encuentran la monitorización de ecosistemas forestales, la gestión de catástrofes y emergencias, la domótica, la automatización industrial, los servicios para ciudades inteligentes, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. La desventaja de una red IoT es que una vez desplegada, ésta queda desatendida, es decir queda sujeta, entre otras cosas, a condiciones climáticas cambiantes y expuestas a catástrofes naturales, fallos de software o hardware, o ataques maliciosos de terceros, por lo que se puede considerar que dichas redes son propensas a fallos. El principal requisito de los nodos constituyentes de una red IoT es que estos deben ser capaces de seguir funcionando a pesar de sufrir errores en el propio sistema. La capacidad de la red para recuperarse ante fallos internos y externos inesperados es lo que se conoce actualmente como "Resiliencia" de la red. Por tanto, a la hora de diseñar y desplegar aplicaciones o servicios para IoT, se espera que la red sea tolerante a fallos, que sea auto-configurable, auto-adaptable, auto-optimizable con respecto a nuevas condiciones que puedan aparecer durante su ejecución. Esto lleva al análisis de un problema fundamental en el estudio de las redes IoT, el problema de la "Conectividad". Se dice que una red está conectada si todo par de nodos en la red son capaces de encontrar al menos un camino de comunicación entre ambos. Sin embargo, la red puede desconectarse debido a varias razones, como que se agote la batería, que un nodo sea destruido, etc. Por tanto, se hace necesario gestionar la resiliencia de la red con el objeto de mantener la conectividad entre sus nodos, de tal manera que cada nodo IoT sea capaz de proveer servicios continuos, a otros nodos, a otras redes o, a otros servicios y aplicaciones. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio del problema de conectividad IoT, más concretamente en el desarrollo de modelos para el análisis y gestión de la Resiliencia, llevado a la práctica a través de las redes WSN, con el fin de mejorar la capacidad la tolerancia a fallos de los nodos que componen la red. Este reto se aborda teniendo en cuenta dos enfoques distintos, por una parte, a diferencia de otro tipo de redes de dispositivos convencionales, los nodos en una red IoT son propensos a perder la conexión, debido a que se despliegan en entornos aislados, o en entornos con condiciones extremas; por otra parte, los nodos suelen ser recursos con bajas capacidades en términos de procesamiento, almacenamiento y batería, entre otros, por lo que requiere que el diseño de la gestión de su resiliencia sea ligero, distribuido y energéticamente eficiente. En este sentido, esta tesis desarrolla técnicas auto-adaptativas que permiten a una red IoT, desde la perspectiva del control de su topología, ser resiliente ante fallos en sus nodos. Para ello, se utilizan técnicas basadas en lógica difusa y técnicas de control proporcional, integral y derivativa (PID - "proportional-integral-derivative"), con el objeto de mejorar la conectividad de la red, teniendo en cuenta que el consumo de energía debe preservarse tanto como sea posible. De igual manera, se ha tenido en cuenta que el algoritmo de control debe ser distribuido debido a que, en general, los enfoques centralizados no suelen ser factibles a despliegues a gran escala. El presente trabajo de tesis implica varios retos que conciernen a la conectividad de red, entre los que se incluyen: la creación y el análisis de modelos matemáticos que describan la red, una propuesta de sistema de control auto-adaptativo en respuesta a fallos en los nodos, la optimización de los parámetros del sistema de control, la validación mediante una implementación siguiendo un enfoque de ingeniería del software y finalmente la evaluación en una aplicación real. Atendiendo a los retos anteriormente mencionados, el presente trabajo justifica, mediante una análisis matemático, la relación existente entre el "grado de un nodo" (definido como el número de nodos en la vecindad del nodo en cuestión) y la conectividad de la red, y prueba la eficacia de varios tipos de controladores que permiten ajustar la potencia de trasmisión de los nodos de red en respuesta a eventuales fallos, teniendo en cuenta el consumo de energía como parte de los objetivos de control. Así mismo, este trabajo realiza una evaluación y comparación con otros algoritmos representativos; en donde se demuestra que el enfoque desarrollado es más tolerante a fallos aleatorios en los nodos de la red, así como en su eficiencia energética. Adicionalmente, el uso de algoritmos bioinspirados ha permitido la optimización de los parámetros de control de redes dinámicas de gran tamaño. Con respecto a la implementación en un sistema real, se han integrado las propuestas de esta tesis en un modelo de programación OSGi ("Open Services Gateway Initiative") con el objeto de crear un middleware auto-adaptativo que mejore la gestión de la resiliencia, especialmente la reconfiguración en tiempo de ejecución de componentes software cuando se ha producido un fallo. Como conclusión, los resultados de esta tesis doctoral contribuyen a la investigación teórica y, a la aplicación práctica del control resiliente de la topología en redes distribuidas de gran tamaño. Los diseños y algoritmos presentados pueden ser vistos como una prueba novedosa de algunas técnicas para la próxima era de IoT. A continuación, se enuncian de forma resumida las principales contribuciones de esta tesis: (1) Se han analizado matemáticamente propiedades relacionadas con la conectividad de la red. Se estudia, por ejemplo, cómo varía la probabilidad de conexión de la red al modificar el alcance de comunicación de los nodos, así como cuál es el mínimo número de nodos que hay que añadir al sistema desconectado para su re-conexión. (2) Se han propuesto sistemas de control basados en lógica difusa para alcanzar el grado de los nodos deseado, manteniendo la conectividad completa de la red. Se han evaluado diferentes tipos de controladores basados en lógica difusa mediante simulaciones, y los resultados se han comparado con otros algoritmos representativos. (3) Se ha investigado más a fondo, dando un enfoque más simple y aplicable, el sistema de control de doble bucle, y sus parámetros de control se han optimizado empleando algoritmos heurísticos como el método de la entropía cruzada (CE, "Cross Entropy"), la optimización por enjambre de partículas (PSO, "Particle Swarm Optimization"), y la evolución diferencial (DE, "Differential Evolution"). (4) Se han evaluado mediante simulación, la mayoría de los diseños aquí presentados; además, parte de los trabajos se han implementado y validado en una aplicación real combinando técnicas de software auto-adaptativo, como por ejemplo las de una arquitectura orientada a servicios (SOA, "Service-Oriented Architecture"). ABSTRACT The advent of the Internet of Things (IoT) enables a tremendous number of applications, such as forest monitoring, disaster management, home automation, factory automation, smart city, etc. However, various kinds of unexpected disturbances may cause node failure in the IoT, for example battery depletion, software/hardware malfunction issues and malicious attacks. So, it can be considered that the IoT is prone to failure. The ability of the network to recover from unexpected internal and external failures is known as "resilience" of the network. Resilience usually serves as an important non-functional requirement when designing IoT, which can further be broken down into "self-*" properties, such as self-adaptive, self-healing, self-configuring, self-optimization, etc. One of the consequences that node failure brings to the IoT is that some nodes may be disconnected from others, such that they are not capable of providing continuous services for other nodes, networks, and applications. In this sense, the main objective of this dissertation focuses on the IoT connectivity problem. A network is regarded as connected if any pair of different nodes can communicate with each other either directly or via a limited number of intermediate nodes. More specifically, this thesis focuses on the development of models for analysis and management of resilience, implemented through the Wireless Sensor Networks (WSNs), which is a challenging task. On the one hand, unlike other conventional network devices, nodes in the IoT are more likely to be disconnected from each other due to their deployment in a hostile or isolated environment. On the other hand, nodes are resource-constrained in terms of limited processing capability, storage and battery capacity, which requires that the design of the resilience management for IoT has to be lightweight, distributed and energy-efficient. In this context, the thesis presents self-adaptive techniques for IoT, with the aim of making the IoT resilient against node failures from the network topology control point of view. The fuzzy-logic and proportional-integral-derivative (PID) control techniques are leveraged to improve the network connectivity of the IoT in response to node failures, meanwhile taking into consideration that energy consumption must be preserved as much as possible. The control algorithm itself is designed to be distributed, because the centralized approaches are usually not feasible in large scale IoT deployments. The thesis involves various aspects concerning network connectivity, including: creation and analysis of mathematical models describing the network, proposing self-adaptive control systems in response to node failures, control system parameter optimization, implementation using the software engineering approach, and evaluation in a real application. This thesis also justifies the relations between the "node degree" (the number of neighbor(s) of a node) and network connectivity through mathematic analysis, and proves the effectiveness of various types of controllers that can adjust power transmission of the IoT nodes in response to node failures. The controllers also take into consideration the energy consumption as part of the control goals. The evaluation is performed and comparison is made with other representative algorithms. The simulation results show that the proposals in this thesis can tolerate more random node failures and save more energy when compared with those representative algorithms. Additionally, the simulations demonstrate that the use of the bio-inspired algorithms allows optimizing the parameters of the controller. With respect to the implementation in a real system, the programming model called OSGi (Open Service Gateway Initiative) is integrated with the proposals in order to create a self-adaptive middleware, especially reconfiguring the software components at runtime when failures occur. The outcomes of this thesis contribute to theoretic research and practical applications of resilient topology control for large and distributed networks. The presented controller designs and optimization algorithms can be viewed as novel trials of the control and optimization techniques for the coming era of the IoT. The contributions of this thesis can be summarized as follows: (1) Mathematically, the fault-tolerant probability of a large-scale stochastic network is analyzed. It is studied how the probability of network connectivity depends on the communication range of the nodes, and what is the minimum number of neighbors to be added for network re-connection. (2) A fuzzy-logic control system is proposed, which obtains the desired node degree and in turn maintains the network connectivity when it is subject to node failures. There are different types of fuzzy-logic controllers evaluated by simulations, and the results demonstrate the improvement of fault-tolerant capability as compared to some other representative algorithms. (3) A simpler but more applicable approach, the two-loop control system is further investigated, and its control parameters are optimized by using some heuristic algorithms such as Cross Entropy (CE), Particle Swarm Optimization (PSO), and Differential Evolution (DE). (4) Most of the designs are evaluated by means of simulations, but part of the proposals are implemented and tested in a real-world application by combining the self-adaptive software technique and the control algorithms which are presented in this thesis.

Output Impedance Correction Circuit (OICC): A New Concept to Improve the Dynamic Response of DC/DC Converters with Additional Energy Path

El desarrollo da las nuevas tecnologías permite a los ingenieros llevar al límite el funcionamiento de los circuitos integrados (Integrated Circuits, IC). Las nuevas generaciones de procesadores, DSPs o FPGAs son capaces de procesar la información a una alta velocidad, con un alto consumo de energía, o esperar en modo de baja potencia con el mínimo consumo posible. Esta gran variación en el consumo de potencia y el corto tiempo necesario para cambiar de un nivel al otro, afecta a las especificaciones del Módulo de Regulador de Tensión (Voltage Regulated Module, VRM) que alimenta al IC. Además, las características adicionales obligatorias, tales como adaptación del nivel de tensión (Adaptive Voltage Positioning, AVP) y escalado dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scaling, DVS), imponen requisitos opuestas en el diseño de la etapa de potencia del VRM. Para poder soportar las altas variaciones de los escalones de carga, el condensador de filtro de salida del VRM se ha de sobredimensionar, penalizando la densidad de energía y el rendimiento durante la operación de DVS. Por tanto, las actuales tendencias de investigación se centran en mejorar la respuesta dinámica del VRM, mientras se reduce el tamaño del condensador de salida. La reducción del condensador de salida lleva a menor coste y una prolongación de la vida del sistema ya que se podría evitar el uso de condensadores voluminosos, normalmente implementados con condensadores OSCON. Una ventaja adicional es que reduciendo el condensador de salida, el DVS se puede realizar más rápido y con menor estrés de la etapa de potencia, ya que la cantidad de carga necesaria para cambiar la tensión de salida es menor. El comportamiento dinámico del sistema con un control lineal (Control Modo Tensión, VMC, o Control Corriente de Pico, Peak Current Mode Control, PCMC,…) está limitado por la frecuencia de conmutación del convertidor y por el tamaño del filtro de salida. La reducción del condensador de salida se puede lograr incrementando la frecuencia de conmutación, así como incrementando el ancho de banda del sistema, y/o aplicando controles avanzados no-lineales. Usando esos controles, las variables del estado se saturan para conseguir el nuevo régimen permanente en un tiempo mínimo, así como el filtro de salida, más específicamente la pendiente de la corriente de la bobina, define la respuesta de la tensión de salida. Por tanto, reduciendo la inductancia de la bobina de salida, la corriente de bobina llega más rápido al nuevo régimen permanente, por lo que una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida durante el tránsito. El inconveniente de esa propuesta es que el rendimiento del sistema es penalizado debido al incremento de pérdidas de conmutación y las corrientes RMS. Para conseguir tanto la reducción del condensador de salida como el alto rendimiento del sistema, mientras se satisfacen las estrictas especificaciones dinámicas, un convertidor multifase es adoptado como estándar para aplicaciones VRM. Para asegurar el reparto de las corrientes entre fases, el convertidor multifase se suele implementar con control de modo de corriente. Para superar la limitación impuesta por el filtro de salida, la segunda posibilidad para reducir el condensador de salida es aplicar alguna modificación topológica (Topologic modifications) de la etapa básica de potencia para incrementar la pendiente de la corriente de bobina y así reducir la duración de tránsito. Como el transitorio se ha reducido, una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida bajo el mismo escalón de la corriente de salida, con lo cual, el condensador de salida se puede reducir para lograr la misma desviación de la tensión de salida. La tercera posibilidad para reducir el condensador de salida del convertidor es introducir un camino auxiliar de energía (additional energy path, AEP) para compensar el desequilibrio de la carga del condensador de salida reduciendo consecuentemente la duración del transitorio y la desviación de la tensión de salida. De esta manera, durante el régimen permanente, el sistema tiene un alto rendimiento debido a que el convertidor principal con bajo ancho de banda es diseñado para trabajar con una frecuencia de conmutación moderada para conseguir requisitos estáticos. Por otro lado, el comportamiento dinámico durante los transitorios es determinado por el AEP con un alto ancho de banda. El AEP puede ser implementado como un camino resistivo, como regulador lineal (Linear regulator, LR) o como un convertidor conmutado. Las dos primeras implementaciones proveen un mayor ancho de banda, acosta del incremento de pérdidas durante el transitorio. Por otro lado, la implementación del convertidor computado presenta menor ancho de banda, limitado por la frecuencia de conmutación, aunque produce menores pérdidas comparado con las dos anteriores implementaciones. Dependiendo de la aplicación, la implementación y la estrategia de control del sistema, hay una variedad de soluciones propuestas en el Estado del Arte (State-of-the-Art, SoA), teniendo diferentes propiedades donde una solución ofrece más ventajas que las otras, pero también unas desventajas. En general, un sistema con AEP ideal debería tener las siguientes propiedades: 1. El impacto del AEP a las pérdidas del sistema debería ser mínimo. A lo largo de la operación, el AEP genera pérdidas adicionales, con lo cual, en el caso ideal, el AEP debería trabajar por un pequeño intervalo de tiempo, solo durante los tránsitos; la otra opción es tener el AEP constantemente activo pero, por la compensación del rizado de la corriente de bobina, se generan pérdidas innecesarias. 2. El AEP debería ser activado inmediatamente para minimizar la desviación de la tensión de salida. Para conseguir una activación casi instantánea, el sistema puede ser informado por la carga antes del escalón o el sistema puede observar la corriente del condensador de salida, debido a que es la primera variable del estado que actúa a la perturbación de la corriente de salida. De esa manera, el AEP es activado con casi cero error de la tensión de salida, logrando una menor desviación de la tensión de salida. 3. El AEP debería ser desactivado una vez que el nuevo régimen permanente es detectado para evitar los transitorios adicionales de establecimiento. La mayoría de las soluciones de SoA estiman la duración del transitorio, que puede provocar un transitorio adicional si la estimación no se ha hecho correctamente (por ejemplo, si la corriente de bobina del convertidor principal tiene un nivel superior o inferior al necesitado, el regulador lento del convertidor principal tiene que compensar esa diferencia una vez que el AEP es desactivado). Otras soluciones de SoA observan las variables de estado, asegurando que el sistema llegue al nuevo régimen permanente, o pueden ser informadas por la carga. 4. Durante el transitorio, como mínimo un subsistema, o bien el convertidor principal o el AEP, debería operar en el lazo cerrado. Implementando un sistema en el lazo cerrado, preferiblemente el subsistema AEP por su ancho de banda elevado, se incrementa la robustez del sistema a los parásitos. Además, el AEP puede operar con cualquier tipo de corriente de carga. Las soluciones que funcionan en el lazo abierto suelen preformar el control de balance de carga con mínimo tiempo, así reducen la duración del transitorio y tienen un impacto menor a las pérdidas del sistema. Por otro lado, esas soluciones demuestran una alta sensibilidad a las tolerancias y parásitos de los componentes. 5. El AEP debería inyectar la corriente a la salida en una manera controlada, así se reduce el riesgo de unas corrientes elevadas y potencialmente peligrosas y se incrementa la robustez del sistema bajo las perturbaciones de la tensión de entrada. Ese problema suele ser relacionado con los sistemas donde el AEP es implementado como un convertidor auxiliar. El convertidor auxiliar es diseñado para una potencia baja, con lo cual, los dispositivos elegidos son de baja corriente/potencia. Si la corriente no es controlada, bajo un pico de tensión de entrada provocada por otro parte del sistema (por ejemplo, otro convertidor conectado al mismo bus), se puede llegar a un pico en la corriente auxiliar que puede causar la perturbación de tensión de salida e incluso el fallo de los dispositivos del convertidor auxiliar. Sin embargo, cuando la corriente es controlada, usando control del pico de corriente o control con histéresis, la corriente auxiliar tiene el control con prealimentación (feed-forward) de tensión de entrada y la corriente es definida y limitada. Por otro lado, si la solución utiliza el control de balance de carga, el sistema puede actuar de forma deficiente si la tensión de entrada tiene un valor diferente del nominal, provocando que el AEP inyecta/toma más/menos carga que necesitada. 6. Escalabilidad del sistema a convertidores multifase. Como ya ha sido comentado anteriormente, para las aplicaciones VRM por la corriente de carga elevada, el convertidor principal suele ser implementado como multifase para distribuir las perdidas entre las fases y bajar el estrés térmico de los dispositivos. Para asegurar el reparto de las corrientes, normalmente un control de modo corriente es usado. Las soluciones de SoA que usan VMC son limitadas a la implementación con solo una fase. Esta tesis propone un nuevo método de control del flujo de energía por el AEP y el convertidor principal. El concepto propuesto se basa en la inyección controlada de la corriente auxiliar al nodo de salida donde la amplitud de la corriente es n-1 veces mayor que la corriente del condensador de salida con las direcciones apropiadas. De esta manera, el AEP genera un condensador virtual cuya capacidad es n veces mayor que el condensador físico y reduce la impedancia de salida. Como el concepto propuesto reduce la impedancia de salida usando el AEP, el concepto es llamado Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. El concepto se desarrolla para un convertidor tipo reductor síncrono multifase con control modo de corriente CMC (incluyendo e implementación con una fase) y puede operar con la tensión de salida constante o con AVP. Además, el concepto es extendido a un convertidor de una fase con control modo de tensión VMC. Durante la operación, el control de tensión de salida de convertidor principal y control de corriente del subsistema OICC están siempre cerrados, incrementando la robustez a las tolerancias de componentes y a los parásitos del cirquito y permitiendo que el sistema se pueda enfrentar a cualquier tipo de la corriente de carga. Según el método de control propuesto, el sistema se puede encontrar en dos estados: durante el régimen permanente, el sistema se encuentra en el estado Idle y el subsistema OICC esta desactivado. Por otro lado, durante el transitorio, el sistema se encuentra en estado Activo y el subsistema OICC está activado para reducir la impedancia de salida. El cambio entre los estados se hace de forma autónoma: el sistema entra en el estado Activo observando la corriente de condensador de salida y vuelve al estado Idle cunado el nuevo régimen permanente es detectado, observando las variables del estado. La validación del concepto OICC es hecha aplicándolo a un convertidor tipo reductor síncrono con dos fases y de 30W cuyo condensador de salida tiene capacidad de 140μF, mientras el factor de multiplicación n es 15, generando en el estado Activo el condensador virtual de 2.1mF. El subsistema OICC es implementado como un convertidor tipo reductor síncrono con PCMC. Comparando el funcionamiento del convertidor con y sin el OICC, los resultados demuestran que se ha logrado una reducción de la desviación de tensión de salida con factor 12, tanto con funcionamiento básico como con funcionamiento AVP. Además, los resultados son comparados con un prototipo de referencia que tiene la misma etapa de potencia y un condensador de salida físico de 2.1mF. Los resultados demuestran que los dos sistemas tienen el mismo comportamiento dinámico. Más aun, se ha cuantificado el impacto en las pérdidas del sistema operando bajo una corriente de carga pulsante y bajo DVS. Se demuestra que el sistema con OICC mejora el rendimiento del sistema, considerando las pérdidas cuando el sistema trabaja con la carga pulsante y con DVS. Por lo último, el condensador de salida de sistema con OICC es mucho más pequeño que el condensador de salida del convertidor de referencia, con lo cual, por usar el concepto OICC, la densidad de energía se incrementa. En resumen, las contribuciones principales de la tesis son: • El concepto propuesto de Output Impedance Correction Circuit (OICC), • El control a nivel de sistema basado en el método usado para cambiar los estados de operación, • La implementación del subsistema OICC en lazo cerrado conjunto con la implementación del convertidor principal, • La cuantificación de las perdidas dinámicas bajo la carga pulsante y bajo la operación DVS, y • La robustez del sistema bajo la variación del condensador de salida y bajo los escalones de carga consecutiva. ABSTRACT Development of new technologies allows engineers to push the performance of the integrated circuits to its limits. New generations of processors, DSPs or FPGAs are able to process information with high speed and high consumption or to wait in low power mode with minimum possible consumption. This huge variation in power consumption and the short time needed to change from one level to another, affect the specifications of the Voltage Regulated Module (VRM) that supplies the IC. Furthermore, additional mandatory features, such as Adaptive Voltage Positioning (AVP) and Dynamic Voltage Scaling (DVS), impose opposite trends on the design of the VRM power stage. In order to cope with high load-step amplitudes, the output capacitor of the VRM power stage output filter is drastically oversized, penalizing power density and the efficiency during the DVS operation. Therefore, the ongoing research trend is directed to improve the dynamic response of the VRM while reducing the size of the output capacitor. The output capacitor reduction leads to a smaller cost and longer life-time of the system since the big bulk capacitors, usually implemented with OSCON capacitors, may not be needed to achieve the desired dynamic behavior. An additional advantage is that, by reducing the output capacitance, dynamic voltage scaling (DVS) can be performed faster and with smaller stress on the power stage, since the needed amount of charge to change the output voltage is smaller. The dynamic behavior of the system with a linear control (Voltage mode control, VMC, Peak Current Mode Control, PCMC,…) is limited by the converter switching frequency and filter size. The reduction of the output capacitor can be achieved by increasing the switching frequency of the converter, thus increasing the bandwidth of the system, and/or by applying advanced non-linear controls. Applying nonlinear control, the system variables get saturated in order to reach the new steady-state in a minimum time, thus the output filter, more specifically the output inductor current slew-rate, determines the output voltage response. Therefore, by reducing the output inductor value, the inductor current reaches faster the new steady state, so a smaller amount of charge is taken from the output capacitor during the transient. The drawback of this approach is that the system efficiency is penalized due to increased switching losses and RMS currents. In order to achieve both the output capacitor reduction and high system efficiency, while satisfying strict dynamic specifications, a Multiphase converter system is adopted as a standard for VRM applications. In order to ensure the current sharing among the phases, the multiphase converter is usually implemented with current mode control. In order to overcome the limitation imposed by the output filter, the second possibility to reduce the output capacitor is to apply Topologic modifications of the basic power stage topology in order to increase the slew-rate of the inductor current and, therefore, reduce the transient duration. Since the transient is reduced, smaller amount of charge is taken from the output capacitor under the same load current, thus, the output capacitor can be reduced to achieve the same output voltage deviation. The third possibility to reduce the output capacitor of the converter is to introduce an additional energy path (AEP) to compensate the charge unbalance of the output capacitor, consequently reducing the transient time and output voltage deviation. Doing so, during the steady-state operation the system has high efficiency because the main low-bandwidth converter is designed to operate at moderate switching frequency, to meet the static requirements, whereas the dynamic behavior during the transients is determined by the high-bandwidth auxiliary energy path. The auxiliary energy path can be implemented as a resistive path, as a Linear regulator, LR, or as a switching converter. The first two implementations provide higher bandwidth, at the expense of increasing losses during the transient. On the other hand, the switching converter implementation presents lower bandwidth, limited by the auxiliary converter switching frequency, though it produces smaller losses compared to the two previous implementations. Depending on the application, the implementation and the control strategy of the system, there is a variety of proposed solutions in the State-of-the-Art (SoA), having different features where one solution offers some advantages over the others, but also some disadvantages. In general, an ideal additional energy path system should have the following features: 1. The impact on the system losses should be minimal. During its operation, the AEP generates additional losses, thus ideally, the AEP should operate for a short period of time, only when the transient is occurring; the other option is to have the AEP constantly on, but due to the inductor current ripple compensation at the output, unnecessary losses are generated. 2. The AEP should be activated nearly instantaneously to prevent bigger output voltage deviation. To achieve near instantaneous activation, the converter system can be informed by the load prior to the load-step or the system can observe the output capacitor current, which is the first system state variable that reacts on the load current perturbation. In this manner, the AEP is turned on with near zero output voltage error, providing smaller output voltage deviation. 3. The AEP should be deactivated once the new steady state is reached to avoid additional settling transients. Most of the SoA solutions estimate duration of the transient which may cause additional transient if the estimation is not performed correctly (e.g. if the main converter inductor current has higher or lower value than needed, the slow regulator of the main converter needs to compensate the difference after the AEP is deactivated). Other SoA solutions are observing state variables, ensuring that the system reaches the new steady state or they are informed by the load. 4. During the transient, at least one subsystem, either the main converter or the AEP, should be in closed-loop. Implementing a closed loop system, preferably the AEP subsystem, due its higher bandwidth, increases the robustness under system tolerances and circuit parasitic. In addition, the AEP can operate with any type of load. The solutions that operate in open loop usually perform minimum time charge balance control, thus reducing the transient length and minimizing the impact on the losses, however they are very sensitive to tolerances and parasitics. 5. The AEP should inject current at the output in a controlled manner, thus reducing the risk of high and potentially damaging currents and increasing robustness on the input voltage deviation. This issue is mainly related to the systems where AEP is implemented as auxiliary converter. The auxiliary converter is designed for small power and, as such, the MOSFETs are rated for small power/currents. If the current is not controlled, due to the some unpredicted spike in input voltage caused by some other part of the system (e.g. different converter), it may lead to a current spike in auxiliary current which will cause the perturbation of the output voltage and even failure of the switching components of auxiliary converter. In the case when the current is controlled, using peak CMC or Hysteretic Window CMC, the auxiliary converter has inherent feed-forwarding of the input voltage in current control and the current is defined and limited. Furthermore, if the solution employs charge balance control, the system may perform poorly if the input voltage has different value than the nominal, causing that AEP injects/extracts more/less charge than needed. 6. Scalability of the system to multiphase converters. As commented previously, in VRM applications, due to the high load currents, the main converters are implemented as multiphase to redistribute losses among the modules, lowering temperature stress of the components. To ensure the current sharing, usually a Current Mode Control (CMC) is employed. The SoA solutions that are implemented with VMC are limited to a single stage implementation. This thesis proposes a novel control method of the energy flow through the AEP and the main converter system. The proposed concept relays on a controlled injection of the auxiliary current at the output node where the instantaneous current value is n-1 times bigger than the output capacitor current with appropriate directions. Doing so, the AEP creates an equivalent n times bigger virtual capacitor at the output, thus reducing the output impedance. Due to the fact that the proposed concept reduces the output impedance using the AEP, it has been named the Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. The concept is developed for a multiphase CMC synchronous buck converter (including a single phase implementation), operating with a constant output voltage and with AVP feature. Further, it is extended to a single phase VMC synchronous buck converter. During the operation, the main converter voltage loop and the OICC subsystem capacitor current loop is constantly closed, increasing the robustness under system tolerances and circuit parasitic and allowing the system to operate with any load-current shape or pattern. According to the proposed control method, the system operates in two states: during the steady-state the system is in the Idle state and the OICC subsystem is deactivated, while during the load-step transient the system is in the Active state and the OICC subsystem is activated in order to reduce the output impedance. The state changes are performed autonomously: the system enters in the Active state by observing the output capacitor current and it returns back to the Idle state when the steady-state operation is detected by observing the state variables. The validation of the OICC concept has been done by applying it to a 30W two phase synchronous buck converter with 140μF output capacitor and with the multiplication factor n equal to 15, generating during the Active state equivalent output capacitor of 2.1mF. The OICC subsystem is implemented as single phase PCMC synchronous buck converter. Comparing the converter operation with and without the OICC the results demonstrate that the 12 times reduction of the output voltage deviation is achieved, for both basic operation and for the AVP operation. Furthermore, the results have been compared to a reference prototype which has the same power stage and a fiscal output capacitor of 2.1mF. The results show that the two systems have the same dynamic behavior. Moreover, an impact on the system losses under the pulsating load and DVS operation has been quantified and it has been demonstrated that the OICC system has improved the system efficiency, considering the losses when the system operates with the pulsating load and the DVS operation. Lastly, the output capacitor of the OICC system is much smaller than the reference design output capacitor, therefore, by applying the OICC concept the power density can be increased. In summary, the main contributions of the thesis are: • The proposed Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept, • The system level control based on the used approach to change the states of operation, • The OICC subsystem closed-loop implementation, together with the main converter implementation, • The dynamic losses under the pulsating load and the DVS operation quantification, and • The system robustness on the capacitor impedance variation and consecutive load-steps.