Usability study for the design of a communicator for ICU patients with communication difficulties

Most of the patients that reside in the intensive care unit experience fear, frustration and high levels of anxiety as they are not able to communicate properly. In this sense, the use of communication tools can be helpful to reduce the frustration levels and also, to improve the efficiency and the speed of the communication. The objective of this work, is to design a tool that allows solving the communication problems that patients suffer when they are admitted in the intensive care unit. In order to achieve the objective of this work, a qualitative study that involved interviews with former patients, hospital staff members and family relatives was performed. Afterwards, the design of a prototype was developed to later conduct and analyze usability evaluations with former patients, hospital staff members and patients relatives. The results expose that participants of the usability evaluations were able to perform most of the tasks effectively.

Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

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

Conceptualización e Infraestructura para la Investigación Experimental en Ingeniería del Software

Antecedentes: Esta investigación se enmarca principalmente en la replicación y secundariamente en la síntesis de experimentos en Ingeniería de Software (IS). Para poder replicar, es necesario disponer de todos los detalles del experimento original. Sin embargo, la descripción de los experimentos es habitualmente incompleta debido a la existencia de conocimiento tácito y a la existencia de otros problemas tales como: La carencia de un formato estándar de reporte, la inexistencia de herramientas que den soporte a la generación de reportes experimentales, etc. Esto provoca que no se pueda reproducir fielmente el experimento original. Esta problemática limita considerablemente la capacidad de los experimentadores para llevar a cabo replicaciones y por ende síntesis de experimentos. Objetivo: La investigación tiene como objetivo formalizar el proceso experimental en IS, de modo que facilite la comunicación de información entre experimentadores. Contexto: El presente trabajo de tesis doctoral ha sido desarrollado en el seno del Grupo de Investigación en Ingeniería del Software Empírica (GrISE) perteneciente a la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Informáticos (ETSIINF) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), como parte del proyecto TIN2011-23216 denominado “Tecnologías para la Replicación y Síntesis de Experimentos en Ingeniería de Software”, el cual es financiado por el Gobierno de España. El grupo GrISE cumple a la perfección con los requisitos necesarios (familia de experimentos establecida, con al menos tres líneas experimentales y una amplia experiencia en replicaciones (16 replicaciones hasta 2011 en la línea de técnicas de pruebas de software)) y ofrece las condiciones para que la investigación se lleve a cabo de la mejor manera, como por ejemplo, el acceso total a su información. Método de Investigación: Para cumplir este objetivo se opta por Action Research (AR) como el método de investigación más adecuado a las características de la investigación, para obtener resultados a través de aproximaciones sucesivas que abordan los problemas concretos de comunicación entre experimentadores. Resultados: Se formalizó el modelo conceptual del ciclo experimental desde la perspectiva de los 3 roles principales que representan los experimentadores en el proceso experimental, siendo estos: Gestor de la Investigación (GI), Gestor del Experimento (GE) y Experimentador Senior (ES). Por otra parte, se formalizó el modelo del ciclo experimental, a través de: Un workflow del ciclo y un diagrama de procesos. Paralelamente a la formalización del proceso experimental en IS, se desarrolló ISRE (de las siglas en inglés Infrastructure for Sharing and Replicating Experiments), una prueba de concepto de entorno de soporte a la experimentación en IS. Finalmente, se plantearon guías para el desarrollo de entornos de soporte a la experimentación en IS, en base al estudio de las características principales y comunes de los modelos de las herramientas de soporte a la experimentación en distintas disciplinas experimentales. Conclusiones: La principal contribución de la investigación esta representada por la formalización del proceso experimental en IS. Los modelos que representan la formalización del ciclo experimental, así como la herramienta ISRE, construida a modo de evaluación de los modelos, fueron encontrados satisfactorios por los experimentadores del GrISE. Para consolidar la validez de la formalización, consideramos que este estudio debería ser replicado en otros grupos de investigación representativos en la comunidad de la IS experimental. Futuras Líneas de Investigación: El cumplimiento de los objetivos, de la mano con los hallazgos alcanzados, han dado paso a nuevas líneas de investigación, las cuales son las siguientes: (1) Considerar la construcción de un mecanismo para facilitar el proceso de hacer explícito el conocimiento tácito de los experimentadores por si mismos de forma colaborativa y basados en el debate y el consenso , (2) Continuar la investigación empírica en el mismo grupo de investigación hasta cubrir completamente el ciclo experimental (por ejemplo: experimentos nuevos, síntesis de resultados, etc.), (3) Replicar el proceso de investigación en otros grupos de investigación en ISE, y (4) Renovar la tecnología de la prueba de concepto, tal que responda a las restricciones y necesidades de un entorno real de investigación. ABSTRACT Background: This research addresses first and foremost the replication and also the synthesis of software engineering (SE) experiments. Replication is impossible without access to all the details of the original experiment. But the description of experiments is usually incomplete because knowledge is tacit, there is no standard reporting format or there are hardly any tools to support the generation of experimental reports, etc. This means that the original experiment cannot be reproduced exactly. These issues place considerable constraints on experimenters’ options for carrying out replications and ultimately synthesizing experiments. Aim: The aim of the research is to formalize the SE experimental process in order to facilitate information communication among experimenters. Context: This PhD research was developed within the empirical software engineering research group (GrISE) at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM)’s School of Computer Engineering (ETSIINF) as part of project TIN2011-23216 entitled “Technologies for Software Engineering Experiment Replication and Synthesis”, which was funded by the Spanish Government. The GrISE research group fulfils all the requirements (established family of experiments with at least three experimental lines and lengthy replication experience (16 replications prior to 2011 in the software testing techniques line)) and provides favourable conditions for the research to be conducted in the best possible way, like, for example, full access to information. Research Method: We opted for action research (AR) as the research method best suited to the characteristics of the investigation. Results were generated successive rounds of AR addressing specific communication problems among experimenters. Results: The conceptual model of the experimental cycle was formalized from the viewpoint of three key roles representing experimenters in the experimental process. They were: research manager, experiment manager and senior experimenter. The model of the experimental cycle was formalized by means of a workflow and a process diagram. In tandem with the formalization of the SE experimental process, infrastructure for sharing and replicating experiments (ISRE) was developed. ISRE is a proof of concept of a SE experimentation support environment. Finally, guidelines for developing SE experimentation support environments were designed based on the study of the key features that the models of experimentation support tools for different experimental disciplines had in common. Conclusions: The key contribution of this research is the formalization of the SE experimental process. GrISE experimenters were satisfied with both the models representing the formalization of the experimental cycle and the ISRE tool built in order to evaluate the models. In order to further validate the formalization, this study should be replicated at other research groups representative of the experimental SE community. Future Research Lines: The achievement of the aims and the resulting findings have led to new research lines, which are as follows: (1) assess the feasibility of building a mechanism to help experimenters collaboratively specify tacit knowledge based on debate and consensus, (2) continue empirical research at the same research group in order to cover the remainder of the experimental cycle (for example, new experiments, results synthesis, etc.), (3) replicate the research process at other ESE research groups, and (4) update the tools of the proof of concept in order to meet the constraints and needs of a real research environment.

Enhancing skills in solving open-ended problems using game-based exercises

Some requirements for engineering programmes, such as an ability to use the techniques, skills and modern engineering tools necessary for engineering practice, as well as an understanding of professional and ethical responsibility or an ability to communicate effectively, need new activities designed for measuring students’ progress. Negotiations take place continuously at any stage of a project and, so, the ability of engineers and managers to effectively carry out a negotiation is crucial for the success or failure of projects and businesses. Since it involves communication between individuals motivated to come together in an agreement for mutual benefit, it can be used to enhance these personal abilities. The main objective of this study was to evaluate the adequacy of mixing playing sessions and theory to maximise the students’ strategic vision in combination with negotiating skills. Results show that the combination of playing with theoretical training teaches students to strategise through analysis and discussion of alternatives. The outcome is then more optimised.

Evaluating a Speech Communication System for deaf people

This paper describes the development of an Advanced Speech Communication System for Deaf People and its field evaluation in a real application domain: the renewal of Driver’s License. The system is composed of two modules. The first one is a Spanish into Spanish Sign Language (LSE: Lengua de Signos Española) translation module made up of a speech recognizer, a natural language translator (for converting a word sequence into a sequence of signs), and a 3D avatar animation module (for playing back the signs). The second module is a Spoken Spanish generator from sign-writing composed of a visual interface (for specifying a sequence of signs), a language translator (for generating the sequence of words in Spanish), and finally, a text to speech converter. For language translation, the system integrates three technologies: an example-based strategy, a rule-based translation method and a statistical translator. This paper also includes a detailed description of the evaluation carried out in the Local Traffic Office in the city of Toledo (Spain) involving real government employees and deaf people. This evaluation includes objective measurements from the system and subjective information from questionnaires. Finally, the paper reports an analysis of the main problems and a discussion about possible solutions.

Novel system for bite-force sensing and monitoring based on magnetic eear field communication

Intraoral devices for bite-force sensing have several applications in odontology and maxillofacial surgery, as bite-force measurements provide additional information to help understand the characteristics of bruxism disorders and can also be of help for the evaluation of post-surgical evolution and for comparison of alternative treatments. A new system for measuring human bite forces is proposed in this work. This system has future applications for the monitoring of bruxism events and as a complement for its conventional diagnosis. Bruxism is a pathology consisting of grinding or tight clenching of the upper and lower teeth, which leads to several problems such as lesions to the teeth, headaches, orofacial pain and important disorders of the temporomandibular joint. The prototype uses a magnetic field communication scheme similar to low-frequency radio frequency identification (RFID) technology (NFC). The reader generates a low-frequency magnetic field that is used as the information carrier and powers the sensor. The system is notable because it uses an intra-mouth passive sensor and an external interrogator, which remotely records and processes information regarding a patient?s dental activity. This permits a quantitative assessment of bite-force, without requiring intra-mouth batteries, and can provide supplementary information to polysomnographic recordings, current most adequate early diagnostic method, so as to initiate corrective actions before irreversible dental wear appears. In addition to describing the system?s operational principles and the manufacture of personalized prototypes, this report will also demonstrate the feasibility of the system and results from the first in vitro and in vivo trials.

User Experience in Human-Technology Interaction. Communication, context and evaluation methodology

En esta Tesis se presentan dos líneas de investigación relacionadas y que contribuyen a las áreas de Interacción Hombre-Tecnología (o Máquina; siglas en inglés: HTI o HMI), lingüística computacional y evaluación de la experiencia del usuario. Las dos líneas en cuestión son el diseño y la evaluación centrada en el usuario de sistemas de Interacción Hombre-Máquina avanzados. En la primera parte de la Tesis (Capítulos 2 a 4) se abordan cuestiones fundamentales del diseño de sistemas HMI avanzados. El Capítulo 2 presenta una panorámica del estado del arte de la investigación en el ámbito de los sistemas conversacionales multimodales, con la que se enmarca el trabajo de investigación presentado en el resto de la Tesis. Los Capítulos 3 y 4 se centran en dos grandes aspectos del diseño de sistemas HMI: un gestor del diálogo generalizado para tratar la Interacción Hombre-Máquina multimodal y sensible al contexto, y el uso de agentes animados personificados (ECAs) para mejorar la robustez del diálogo, respectivamente. El Capítulo 3, sobre gestión del diálogo, aborda el tratamiento de la heterogeneidad de la información proveniente de las modalidades comunicativas y de los sensores externos. En este capítulo se propone, en un nivel de abstracción alto, una arquitectura para la gestión del diálogo con influjos heterogéneos de información, apoyándose en el uso de State Chart XML. En el Capítulo 4 se presenta una contribución a la representación interna de intenciones comunicativas, y su traducción a secuencias de gestos a ejecutar por parte de un ECA, diseñados específicamente para mejorar la robustez en situaciones de diálogo críticas que pueden surgir, por ejemplo, cuando se producen errores de entendimiento en la comunicación entre el usuario humano y la máquina. Se propone, en estas páginas, una extensión del Functional Mark-up Language definido en el marco conceptual SAIBA. Esta extensión permite representar actos comunicativos que realizan intenciones del emisor (la máquina) que no se pretende sean captadas conscientemente por el receptor (el usuario humano), pero con las que se pretende influirle a éste e influir el curso del diálogo. Esto se consigue mediante un objeto llamado Base de Intenciones Comunicativas (en inglés, Communication Intention Base, o CIB). La representación en el CIB de intenciones “no claradas” además de las explícitas permite la construcción de actos comunicativos que realizan simultáneamente varias intenciones comunicativas. En el Capítulo 4 también se describe un sistema experimental para el control remoto (simulado) de un asistente domótico, con autenticación de locutor para dar acceso, y con un ECA en el interfaz de cada una de estas tareas. Se incluye una descripción de las secuencias de comportamiento verbal y no verbal de los ECAs, que fueron diseñados específicamente para determinadas situaciones con objeto de mejorar la robustez del diálogo. Los Capítulos 5 a 7 conforman la parte de la Tesis dedicada a la evaluación. El Capítulo 5 repasa antecedentes relevantes en la literatura de tecnologías de la información en general, y de sistemas de interacción hablada en particular. Los principales antecedentes en el ámbito de la evaluación de la interacción sobre los cuales se ha desarrollado el trabajo presentado en esta Tesis son el Technology Acceptance Model (TAM), la herramienta Subjective Assessment of Speech System Interfaces (SASSI), y la Recomendación P.851 de la ITU-T. En el Capítulo 6 se describen un marco y una metodología de evaluación aplicados a la experiencia del usuario con sistemas HMI multimodales. Se desarrolló con este propósito un novedoso marco de evaluación subjetiva de la calidad de la experiencia del usuario y su relación con la aceptación por parte del mismo de la tecnología HMI (el nombre dado en inglés a este marco es Subjective Quality Evaluation Framework). En este marco se articula una estructura de clases de factores subjetivos relacionados con la satisfacción y aceptación por parte del usuario de la tecnología HMI propuesta. Esta estructura, tal y como se propone en la presente tesis, tiene dos dimensiones ortogonales. Primero se identifican tres grandes clases de parámetros relacionados con la aceptación por parte del usuario: “agradabilidad ” (likeability: aquellos que tienen que ver con la experiencia de uso, sin entrar en valoraciones de utilidad), rechazo (los cuales sólo pueden tener una valencia negativa) y percepción de utilidad. En segundo lugar, este conjunto clases se reproduce para distintos “niveles, o focos, percepción del usuario”. Éstos incluyen, como mínimo, un nivel de valoración global del sistema, niveles correspondientes a las tareas a realizar y objetivos a alcanzar, y un nivel de interfaz (en los casos propuestos en esta tesis, el interfaz es un sistema de diálogo con o sin un ECA). En el Capítulo 7 se presenta una evaluación empírica del sistema descrito en el Capítulo 4. El estudio se apoya en los mencionados antecedentes en la literatura, ampliados con parámetros para el estudio específico de los agentes animados (los ECAs), la auto-evaluación de las emociones de los usuarios, así como determinados factores de rechazo (concretamente, la preocupación por la privacidad y la seguridad). También se evalúa el marco de evaluación subjetiva de la calidad propuesto en el capítulo anterior. Los análisis de factores efectuados revelan una estructura de parámetros muy cercana conceptualmente a la división de clases en utilidad-agradabilidad-rechazo propuesta en dicho marco, resultado que da cierta validez empírica al marco. Análisis basados en regresiones lineales revelan estructuras de dependencias e interrelación entre los parámetros subjetivos y objetivos considerados. El efecto central de mediación, descrito en el Technology Acceptance Model, de la utilidad percibida sobre la relación de dependencia entre la intención de uso y la facilidad de uso percibida, se confirma en el estudio presentado en la presente Tesis. Además, se ha encontrado que esta estructura de relaciones se fortalece, en el estudio concreto presentado en estas páginas, si las variables consideradas se generalizan para cubrir más ampliamente las categorías de agradabilidad y utilidad contempladas en el marco de evaluación subjetiva de calidad. Se ha observado, asimismo, que los factores de rechazo aparecen como un componente propio en los análisis de factores, y además se distinguen por su comportamiento: moderan la relación entre la intención de uso (que es el principal indicador de la aceptación del usuario) y su predictor más fuerte, la utilidad percibida. Se presentan también resultados de menor importancia referentes a los efectos de los ECAs sobre los interfaces de los sistemas de diálogo y sobre los parámetros de percepción y las valoraciones de los usuarios que juegan un papel en conformar su aceptación de la tecnología. A pesar de que se observa un rendimiento de la interacción dialogada ligeramente mejor con ECAs, las opiniones subjetivas son muy similares entre los dos grupos experimentales (uno interactuando con un sistema de diálogo con ECA, y el otro sin ECA). Entre las pequeñas diferencias encontradas entre los dos grupos destacan las siguientes: en el grupo experimental sin ECA (es decir, con interfaz sólo de voz) se observó un efecto más directo de los problemas de diálogo (por ejemplo, errores de reconocimiento) sobre la percepción de robustez, mientras que el grupo con ECA tuvo una respuesta emocional más positiva cuando se producían problemas. Los ECAs parecen generar inicialmente expectativas más elevadas en cuanto a las capacidades del sistema, y los usuarios de este grupo se declaran más seguros de sí mismos en su interacción. Por último, se observan algunos indicios de efectos sociales de los ECAs: la “amigabilidad ” percibida los ECAs estaba correlada con un incremento la preocupación por la seguridad. Asimismo, los usuarios del sistema con ECAs tendían más a culparse a sí mismos, en lugar de culpar al sistema, de los problemas de diálogo que pudieran surgir, mientras que se observó una ligera tendencia opuesta en el caso de los usuarios del sistema con interacción sólo de voz. ABSTRACT This Thesis presents two related lines of research work contributing to the general fields of Human-Technology (or Machine) Interaction (HTI, or HMI), computational linguistics, and user experience evaluation. These two lines are the design and user-focused evaluation of advanced Human-Machine (or Technology) Interaction systems. The first part of the Thesis (Chapters 2 to 4) is centred on advanced HMI system design. Chapter 2 provides a background overview of the state of research in multimodal conversational systems. This sets the stage for the research work presented in the rest of the Thesis. Chapers 3 and 4 focus on two major aspects of HMI design in detail: a generalised dialogue manager for context-aware multimodal HMI, and embodied conversational agents (ECAs, or animated agents) to improve dialogue robustness, respectively. Chapter 3, on dialogue management, deals with how to handle information heterogeneity, both from the communication modalities or from external sensors. A highly abstracted architectural contribution based on State Chart XML is proposed. Chapter 4 presents a contribution for the internal representation of communication intentions and their translation into gestural sequences for an ECA, especially designed to improve robustness in critical dialogue situations such as when miscommunication occurs. We propose an extension of the functionality of Functional Mark-up Language, as envisaged in much of the work in the SAIBA framework. Our extension allows the representation of communication acts that carry intentions that are not for the interlocutor to know of, but which are made to influence him or her as well as the flow of the dialogue itself. This is achieved through a design element we have called the Communication Intention Base. Such r pr s ntation of “non- clar ” int ntions allows th construction of communication acts that carry several communication intentions simultaneously. Also in Chapter 4, an experimental system is described which allows (simulated) remote control to a home automation assistant, with biometric (speaker) authentication to grant access, featuring embodied conversation agents for each of the tasks. The discussion includes a description of the behavioural sequences for the ECAs, which were designed for specific dialogue situations with particular attention given to the objective of improving dialogue robustness. Chapters 5 to 7 form the evaluation part of the Thesis. Chapter 5 reviews evaluation approaches in the literature for information technologies, as well as in particular for speech-based interaction systems, that are useful precedents to the contributions of the present Thesis. The main evaluation precedents on which the work in this Thesis has built are the Technology Acceptance Model (TAM), the Subjective Assessment of Speech System Interfaces (SASSI) tool, and ITU-T Recommendation P.851. Chapter 6 presents the author’s work in establishing an valuation framework and methodology applied to the users’ experience with multimodal HMI systems. A novel user-acceptance Subjective Quality Evaluation Framework was developed by the author specifically for this purpose. A class structure arises from two orthogonal sets of dimensions. First we identify three broad classes of parameters related with user acceptance: likeability factors (those that have to do with the experience of using the system), rejection factors (which can only have a negative valence) and perception of usefulness. Secondly, the class structure is further broken down into several “user perception levels”; at the very least: an overall system-assessment level, task and goal-related levels, and an interface level (e.g., a dialogue system with or without an ECA). An empirical evaluation of the system described in Chapter 4 is presented in Chapter 7. The study was based on the abovementioned precedents in the literature, expanded with categories covering the inclusion of an ECA, the users’ s lf-assessed emotions, and particular rejection factors (privacy and security concerns). The Subjective Quality Evaluation Framework proposed in the previous chapter was also scrutinised. Factor analyses revealed an item structure very much related conceptually to the usefulness-likeability-rejection class division introduced above, thus giving it some empirical weight. Regression-based analysis revealed structures of dependencies, paths of interrelations, between the subjective and objective parameters considered. The central mediation effect, in the Technology Acceptance Model, of perceived usefulness on the dependency relationship of intention-to-use with perceived ease of use was confirmed in this study. Furthermore, the pattern of relationships was stronger for variables covering more broadly the likeability and usefulness categories in the Subjective Quality Evaluation Framework. Rejection factors were found to have a distinct presence as components in factor analyses, as well as distinct behaviour: they were found to moderate the relationship between intention-to-use (the main measure of user acceptance) and its strongest predictor, perceived usefulness. Insights of secondary importance are also given regarding the effect of ECAs on the interface of spoken dialogue systems and the dimensions of user perception and judgement attitude that may have a role in determining user acceptance of the technology. Despite observing slightly better performance values in the case of the system with the ECA, subjective opinions regarding both systems were, overall, very similar. Minor differences between two experimental groups (one interacting with an ECA, the other only through speech) include a more direct effect of dialogue problems (e.g., non-understandings) on perceived dialogue robustness for the voice-only interface test group, and a more positive emotional response for the ECA test group. Our findings further suggest that the ECA generates higher initial expectations, and users seem slightly more confident in their interaction with the ECA than do those without it. Finally, mild evidence of social effects of ECAs was also found: the perceived friendliness of the ECA increased security concerns, and ECA users may tend to blame themselves rather than the system when dialogue problems are encountered, while the opposite may be true for voice-only users.

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.

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.