Using spatially distributed parameters and multi-response objective functions to solve parameterization of complex applications of semi-distributed hydrological models

Application of semi-distributed hydrological models to large, heterogeneous watersheds deals with several problems. On one hand, the spatial and temporal variability in catchment features should be adequately represented in the model parameterization, while maintaining the model complexity in an acceptable level to take advantage of state-of-the-art calibration techniques. On the other hand, model complexity enhances uncertainty in adjusted model parameter values, therefore increasing uncertainty in the water routing across the watershed. This is critical for water quality applications, where not only streamflow, but also a reliable estimation of the surface versus subsurface contributions to the runoff is needed. In this study, we show how a regularized inversion procedure combined with a multiobjective function calibration strategy successfully solves the parameterization of a complex application of a water quality-oriented hydrological model. The final value of several optimized parameters showed significant and consistentdifferences across geological and landscape features. Although the number of optimized parameters was significantly increased by the spatial and temporal discretization of adjustable parameters, the uncertainty in water routing results remained at reasonable values. In addition, a stepwise numerical analysis showed that the effects on calibration performance due to inclusion of different data types in the objective function could be inextricably linked. Thus caution should be taken when adding or removing data from an aggregated objective function.

Inference of distributional parameters from compositional samples containing nondetects

Low concentrations of elements in geochemical analyses have the peculiarity of beingcompositional data and, for a given level of significance, are likely to be beyond thecapabilities of laboratories to distinguish between minute concentrations and completeabsence, thus preventing laboratories from reporting extremely low concentrations of theanalyte. Instead, what is reported is the detection limit, which is the minimumconcentration that conclusively differentiates between presence and absence of theelement. A spatially distributed exhaustive sample is employed in this study to generateunbiased sub-samples, which are further censored to observe the effect that differentdetection limits and sample sizes have on the inference of population distributionsstarting from geochemical analyses having specimens below detection limit (nondetects).The isometric logratio transformation is used to convert the compositional data in thesimplex to samples in real space, thus allowing the practitioner to properly borrow fromthe large source of statistical techniques valid only in real space. The bootstrap method isused to numerically investigate the reliability of inferring several distributionalparameters employing different forms of imputation for the censored data. The casestudy illustrates that, in general, best results are obtained when imputations are madeusing the distribution best fitting the readings above detection limit and exposes theproblems of other more widely used practices. When the sample is spatially correlated, itis necessary to combine the bootstrap with stochastic simulation

Increasing the scalability and the speedup of a fish school distributed simulator

El present treball fa un anàlisi i desenvolupament sobre les millores en la velocitat i en l’escalabilitat d'un simulador distribuït de grups de peixos. Aquests resultats s’han obtingut fent servir una nova estratègia de comunicació per als processos lògics (LPs) i canvis en l'algoritme de selecció de veïns que s'aplica a cadascun dels peixos en cada pas de simulació. L’idea proposada permet que cada procés lògic anticipi futures necessitats de dades pels seus veïns reduint el temps de comunicació al limitar la quantitat de missatges intercanviats entre els LPs. El nou algoritme de selecció dels veïns es va desenvolupar amb l'objectiu d'evitar treball innecessari permetent la disminució de les instruccions executades en cada pas de simulació i per cadascun del peixos simulats reduint de forma significativa el temps de simulació.

Cooperative strategies for imperfect CSI scenarios based on distributed Alamouti

Les comunicacions cooperatives estan guanyant un gran interès en les comunicacions modernes degut a que permeten millorar la transmissió dʼinformació entre un emissor i un receptor utilitzant una sèrie de terminals situats entre ells. Aquest projecte és un estudi complet del sistemes cooperatius, analitzant el seu rendiment i comparant lʼús dʼun sol dʼaquests terminals amb lʼús del codi Alamouti, que utilitza dos terminals. Primer hi ha una introducció als sistemes cooperatius i a la teoria de la informació. Després hem estudiat un sistema cooperatiu amb la teoria de la informació com a base, en termes de probabilitat de fallada del sistema, i posteriorment lʼhem adaptat a un sistema cooperatiu real utilitzant una modulació QPSK, estudiant la seva probabilitat dʼerror de paquet. Finalment es proposen diversos protocols que permeten millorar el rendiment del sistema cooperatiu estudiat.

A first attempt of geographically-distributed Multi-scale integrated analysis of societal and ecosystem metabolism (MuSIASEM): mapping human time and energy throughput in metropolitan Barcelona

This study presents a first attempt to extend the “Multi-scale integrated analysis of societal and ecosystem metabolism (MuSIASEM)” approach to a spatial dimension using GIS techniques in the Metropolitan area of Barcelona. We use a combination of census and commercial databases along with a detailed land cover map to create a layer of Common Geographic Units that we populate with the local values of human time spent in different activities according to MuSIASEM hierarchical typology. In this way, we mapped the hours of available human time, in regards to the working hours spent in different locations, putting in evidence the gradients in spatial density between the residential location of workers (generating the work supply) and the places where the working hours are actually taking place. We found a strong three-modal pattern of clumps of areas with different combinations of values of time spent on household activities and on paid work. We also measured and mapped spatial segregation between these two activities and put forward the conjecture that this segregation increases with higher energy throughput, as the size of the functional units must be able to cope with the flow of exosomatic energy. Finally, we discuss the effectiveness of the approach by comparing our geographic representation of exosomatic throughput to the one issued from conventional methods.

Semigroup analysis of structured populations with distributed states-at-birth arising in mathematical aquaculture

Motivated by the modelling of structured parasite populations in aquaculture we consider a class of physiologically structured population models, where individuals may be recruited into the population at different sizes in general. That is, we consider a size-structured population model with distributed states-at-birth. The mathematical model which describes the evolution of such a population is a first order nonlinear partial integro-differential equation of hyperbolic type. First, we use positive perturbation arguments and utilise results from the spectral theory of semigroups to establish conditions for the existence of a positive equilibrium solution of our model. Then we formulate conditions that guarantee that the linearised system is governed by a positive quasicontraction semigroup on the biologically relevant state space. We also show that the governing linear semigroup is eventually compact, hence growth properties of the semigroup are determined by the spectrum of its generator. In case of a separable fertility function we deduce a characteristic equation and investigate the stability of equilibrium solutions in the general case using positive perturbation arguments.

Análisis y sintonización de aplicaciones paralelas/distribuidas de bioinformática: caso de estudio mpiBLAST

En termes de temps d'execució i ús de dades, les aplicacions paral·leles/distribuïdes poden tenir execucions variables, fins i tot quan s'empra el mateix conjunt de dades d'entrada. Existeixen certs aspectes de rendiment relacionats amb l'entorn que poden afectar dinàmicament el comportament de l'aplicació, tals com: la capacitat de la memòria, latència de la xarxa, el nombre de nodes, l'heterogeneïtat dels nodes, entre d'altres. És important considerar que l'aplicació pot executar-se en diferents configuracions de maquinari i el desenvolupador d'aplicacions no port garantir que els ajustaments de rendiment per a un sistema en particular continuïn essent vàlids per a d'altres configuracions. L'anàlisi dinàmica de les aplicacions ha demostrat ser el millor enfocament per a l'anàlisi del rendiment per dues raons principals. En primer lloc, ofereix una solució molt còmoda des del punt de vista dels desenvolupadors mentre que aquests dissenyen i evaluen les seves aplicacions paral·leles. En segon lloc, perquè s'adapta millor a l'aplicació durant l'execució. Aquest enfocament no requereix la intervenció de desenvolupadors o fins i tot l'accés al codi font de l'aplicació. S'analitza l'aplicació en temps real d'execució i es considra i analitza la recerca dels possibles colls d'ampolla i optimitzacions. Per a optimitzar l'execució de l'aplicació bioinformàtica mpiBLAST, vam analitzar el seu comportament per a identificar els paràmetres que intervenen en el rendiment d'ella, com ara: l'ús de la memòria, l'ús de la xarxa, patrons d'E/S, el sistema de fitxers emprat, l'arquitectura del processador, la grandària de la base de dades biològica, la grandària de la seqüència de consulta, la distribució de les seqüències dintre d'elles, el nombre de fragments de la base de dades i/o la granularitat dels treballs assignats a cada procés. El nostre objectiu és determinar quins d'aquests paràmetres tenen major impacte en el rendiment de les aplicacions i com ajustar-los dinàmicament per a millorar el rendiment de l'aplicació. Analitzant el rendiment de l'aplicació mpiBLAST hem trobat un conjunt de dades que identifiquen cert nivell de serial·lització dintre l'execució. Reconeixent l'impacte de la caracterització de les seqüències dintre de les diferents bases de dades i una relació entre la capacitat dels workers i la granularitat de la càrrega de treball actual, aquestes podrien ser sintonitzades dinàmicament. Altres millores també inclouen optimitzacions relacionades amb el sistema de fitxers paral·lel i la possibilitat d'execució en múltiples multinucli. La grandària de gra de treball està influenciat per factors com el tipus de base de dades, la grandària de la base de dades, i la relació entre grandària de la càrrega de treball i la capacitat dels treballadors.

El impacto de las aplicaciones intensivas de E/S en la planificación de trabajos en clusters no-dedicados

Con la mayor capacidad de los nodos de procesamiento en relación a la potencia de cómputo, cada vez más aplicaciones intensivas de datos como las aplicaciones de la bioinformática, se llevarán a ejecutar en clusters no dedicados. Los clusters no dedicados se caracterizan por su capacidad de combinar la ejecución de aplicaciones de usuarios locales con aplicaciones, científicas o comerciales, ejecutadas en paralelo. Saber qué efecto las aplicaciones con acceso intensivo a dados producen respecto a la mezcla de otro tipo (batch, interativa, SRT, etc) en los entornos no-dedicados permite el desarrollo de políticas de planificación más eficientes. Algunas de las aplicaciones intensivas de E/S se basan en el paradigma MapReduce donde los entornos que las utilizan, como Hadoop, se ocupan de la localidad de los datos, balanceo de carga de forma automática y trabajan con sistemas de archivos distribuidos. El rendimiento de Hadoop se puede mejorar sin aumentar los costos de hardware, al sintonizar varios parámetros de configuración claves para las especificaciones del cluster, para el tamaño de los datos de entrada y para el procesamiento complejo. La sincronización de estos parámetros de sincronización puede ser demasiado compleja para el usuario y/o administrador pero procura garantizar prestaciones más adecuadas. Este trabajo propone la evaluación del impacto de las aplicaciones intensivas de E/S en la planificación de trabajos en clusters no-dedicados bajo los paradigmas MPI y Mapreduce.

Gestión de recursos en nodos multi-core de memoria compartida

La gestión de recursos en los procesadores multi-core ha ganado importancia con la evolución de las aplicaciones y arquitecturas. Pero esta gestión es muy compleja. Por ejemplo, una misma aplicación paralela ejecutada múltiples veces con los mismos datos de entrada, en un único nodo multi-core, puede tener tiempos de ejecución muy variables. Hay múltiples factores hardware y software que afectan al rendimiento. La forma en que los recursos hardware (cómputo y memoria) se asignan a los procesos o threads, posiblemente de varias aplicaciones que compiten entre sí, es fundamental para determinar este rendimiento. La diferencia entre hacer la asignación de recursos sin conocer la verdadera necesidad de la aplicación, frente a asignación con una meta específica es cada vez mayor. La mejor manera de realizar esta asignación és automáticamente, con una mínima intervención del programador. Es importante destacar, que la forma en que la aplicación se ejecuta en una arquitectura no necesariamente es la más adecuada, y esta situación puede mejorarse a través de la gestión adecuada de los recursos disponibles. Una apropiada gestión de recursos puede ofrecer ventajas tanto al desarrollador de las aplicaciones, como al entorno informático donde ésta se ejecuta, permitiendo un mayor número de aplicaciones en ejecución con la misma cantidad de recursos. Así mismo, esta gestión de recursos no requeriría introducir cambios a la aplicación, o a su estrategia operativa. A fin de proponer políticas para la gestión de los recursos, se analizó el comportamiento de aplicaciones intensivas de cómputo e intensivas de memoria. Este análisis se llevó a cabo a través del estudio de los parámetros de ubicación entre los cores, la necesidad de usar la memoria compartida, el tamaño de la carga de entrada, la distribución de los datos dentro del procesador y la granularidad de trabajo. Nuestro objetivo es identificar cómo estos parámetros influyen en la eficiencia de la ejecución, identificar cuellos de botella y proponer posibles mejoras. Otra propuesta es adaptar las estrategias ya utilizadas por el Scheduler con el fin de obtener mejores resultados.

Predictive and distributed routing balancing (PR-DRB): high speed interconnection networks

Current parallel applications running on clusters require the use of an interconnection network to perform communications among all computing nodes available. Imbalance of communications can produce network congestion, reducing throughput and increasing latency, degrading the overall system performance. On the other hand, parallel applications running on these networks posses representative stages which allow their characterization, as well as repetitive behavior that can be identified on the basis of this characterization. This work presents the Predictive and Distributed Routing Balancing (PR-DRB), a new method developed to gradually control network congestion, based on paths expansion, traffic distribution and effective traffic load, in order to maintain low latency values. PR-DRB monitors messages latencies on intermediate routers, makes decisions about alternative paths and record communication pattern information encountered during congestion situation. Based on the concept of applications repetitiveness, best solution recorded are reapplied when saved communication pattern re-appears. Traffic congestion experiments were conducted in order to evaluate the performance of the method, and improvements were observed.

Disseny, modelat i fabricació d'una antena "trap" per aplicacions WLAN

En aquest treball s’ha dissenyat i fabricat una antena monopol en estructura planar capaç de treballar correctament a les freqüències WLAN de 2,45-2,5 GHz (802.11b/g) i 4,9-5,875 GHz (802.11a/h/j). Per arribar a aquest objectiu primer s’ha presentat el model de línia de transmissió acabada en circuit obert per simular el comportament d’una antena. S’han comparat i verificat els resultats amb el model d’antena de fil. Seguidament, s’ha estudiat el comportament que introdueix el fet de carregar l’antena amb un ressonador LC. Finalment, s’ha passat del model d’antena de fil a una estructura planar. Aquesta geometria ha permès la realització del trap LC de forma distribuïda a través d’un ressonador CLL. El principi de disseny de l’antena està basat en la introducció d’aquest ressonador CLL amb freqüència de ressonància situada entre les dos bandes de treball i que junt amb l’ajust dels diversos paràmetres que defineixen l’antena han permès obtenir més 1 GHz d’ample de banda a la freqüència de 5 GHz.

Anàlisi de la qualitat de l'aigua: estudi dels impactes humans sobre la qualitat de l'aigua en pous i basses del Parc del Garraf i rodalies

Amb la finalitat de conèixer l’estat de qualitat de les aigües de les basses i pous del Parc del Garraf, s’analitzen una sèrie de paràmetres fisico-químics en 17 estacions de mostreig prèviament seleccionades, distribuïdes en zones amb diferents tipologies d’ús del sòl. La base de l’anàlisi ha estat la integració d’informació provinent de diferents fonts. Mitjançant l’elaboració de taules i gràfics, la generació de cartografia i el tractament estadístic de les dades, s’ha procedit a la tria de punts de mostreig i s’ha obtingut un inventari que ha permès la interpretació global dels resultats, facilitant la diagnosi. El procés de tractament de dades inclou la confecció d’un índex de qualitat de les aigües (ICA) propi, no vinculant, a partir de fórmules genèriques de normalització i ponderació de valors. Durant la realització de la diagnosi s’han detectat pertorbacions puntuals en determinats paràmetres corresponents a contaminacions locals, en diferents estacions de mostreig. Aquestes pertorbacions s’han relacionat amb la situació dels pous i les basses al Garraf i les tipologies d’ús del sòl de cada zona. El diagnòstic de pertorbacions ha orientat les propostes de millora aplicables que s’han dividit en tres classes segons el nivell d’actuació. Aquestes incideixen principalment, en la millora de la informació disponible, l’aplicació de l’agricultura ecològica, l’explotació sostenible dels aqüífers i la realització d’estudis globals i/o locals, més complets i exhaustius.

Indirect likelihood inference

Given a sample from a fully specified parametric model, let Zn be a given finite-dimensional statistic - for example, an initial estimator or a set of sample moments. We propose to (re-)estimate the parameters of the model by maximizing the likelihood of Zn. We call this the maximum indirect likelihood (MIL) estimator. We also propose a computationally tractable Bayesian version of the estimator which we refer to as a Bayesian Indirect Likelihood (BIL) estimator. In most cases, the density of the statistic will be of unknown form, and we develop simulated versions of the MIL and BIL estimators. We show that the indirect likelihood estimators are consistent and asymptotically normally distributed, with the same asymptotic variance as that of the corresponding efficient two-step GMM estimator based on the same statistic. However, our likelihood-based estimators, by taking into account the full finite-sample distribution of the statistic, are higher order efficient relative to GMM-type estimators. Furthermore, in many cases they enjoy a bias reduction property similar to that of the indirect inference estimator. Monte Carlo results for a number of applications including dynamic and nonlinear panel data models, a structural auction model and two DSGE models show that the proposed estimators indeed have attractive finite sample properties.

Factores de rendimiento en aplicaciones híbridas

En el entorno actual, diversas ramas de las ciencias, tienen la necesidad de auxiliarse de la computación de altas prestaciones para la obtención de resultados a relativamente corto plazo. Ello es debido fundamentalmente, al alto volumen de información que necesita ser procesada y también al costo computacional que demandan dichos cálculos. El beneficio al realizar este procesamiento de manera distribuida y paralela, logra acortar los tiempos de espera en la obtención de los resultados y de esta forma posibilita una toma decisiones con mayor anticipación. Para soportar ello, existen fundamentalmente dos modelos de programación ampliamente extendidos: el modelo de paso de mensajes a través de librerías basadas en el estándar MPI, y el de memoria compartida con la utilización de OpenMP. Las aplicaciones híbridas son aquellas que combinan ambos modelos con el fin de aprovechar en cada caso, las potencialidades específicas del paralelismo en cada uno. Lamentablemente, la práctica ha demostrado que la utilización de esta combinación de modelos, no garantiza necesariamente una mejoría en el comportamiento de las aplicaciones. Por lo tanto, un análisis de los factores que influyen en el rendimiento de las mismas, nos beneficiaría a la hora de implementarlas pero también, sería un primer paso con el fin de llegar a predecir su comportamiento. Adicionalmente, supondría una vía para determinar que parámetros de la aplicación modificar con el fin de mejorar su rendimiento. En el trabajo actual nos proponemos definir una metodología para la identificación de factores de rendimiento en aplicaciones híbridas y en congruencia, la identificación de algunos factores que influyen en el rendimiento de las mismas.

Design of Novel Frequency Generation Circuit with Application to Ultra-Wideband Distributed Oscillators

Given the urgence of a new paradigm in wireless digital trasmission which should allow for higher bit rate, lower latency and tigher delay constaints, it has been proposed to investigate the fundamental building blocks that at the circuital/device level, will boost the change towards a more efficient network architecture, with high capacity, higher bandwidth and a more satisfactory end user experience. At the core of each transciever, there are inherently analog devices capable of providing the carrier signal, the oscillators. It is strongly believed that many limitations in today's communication protocols, could be relieved by permitting high carrier frequency radio transmission, and having some degree of reconfigurability. This led us to studying distributed oscillator architectures which work in the microwave range and possess wideband tuning capability. As microvave oscillators are essentially nonlinear devices, a full nonlinear analyis, synthesis, and optimization had to be considered for their implementation. Consequently, all the most used nonlinear numerical techniques in commercial EDA software had been reviewed. An application of all the aforementioned techniques has been shown, considering a systems of three coupled oscillator ("triple push" oscillator) in which the stability of the various oscillating modes has been studied. Provided that a certain phase distribution is maintained among the oscillating elements, this topology permits a rise in the output power of the third harmonic; nevertheless due to circuit simmetry, "unwanted" oscillating modes coexist with the intenteded one. Starting with the necessary background on distributed amplification and distributed oscillator theory, the design of a four stage reverse mode distributed voltage controlled oscillator (DVCO) using lumped elments has been presented. All the design steps have been reported and for the first time a method for an optimized design with reduced variations in the output power has been presented. Ongoing work is devoted to model a wideband DVCO and to implement a frequency divider.