Distributed Web Interface for Real-Time Spatial Audio Reproduction System

SSR es el acrónimo de SoundScape Renderer (tool for real-time spatial audio reproduction providing a variety of rendering algorithms), es un programa escrito en su mayoría en C++. El programa permite al usuario escuchar tanto sonidos grabados con anterioridad como sonidos en directo. El sonido o los sonidos se oirán, desde el punto de vista del oyente, como si el sonido se produjese en el punto que el programa decida, lo interesante de este proyecto es que el sonido podrá cambiar de lugar, moverse, etc. Todo en tiempo real. Esto se consigue sin modificar el sonido al grabarlo pero sí al emitirlo, el programa calcula las variaciones necesarias para que al emitir el sonido al oyente le llegue como si el sonido realmente se generase en un punto del espacio o lo más parecido posible. La sensación de movimiento no deja de ser el punto anterior cambiando de lugar. La idea era crear una aplicación web basada en Canvas de HTML5 que se comunicará con esta interfaz de usuario remota. Así se solucionarían todos los problemas de compatibilidad ya que cualquier dispositivo con posibilidad de visualizar páginas web podría correr una aplicación basada en estándares web, por ejemplo un sistema con Windows o un móvil con navegador. El protocolo debía de ser WebSocket porque es un protocolo HTML5 y ofrece las “garantías” de latencia que una aplicación con necesidades de información en tiempo real requiere. Nos permite una comunicación full-dúplex asíncrona sin mucho payload que es justo lo que se venía a evitar al no usar polling normal de HTML. El problema que surgió fue que la interfaz de usuario de red que tenía el programa no era compatible con WebSocket debido a un handshacking inicial y obligatorio que realiza el protocolo, por lo que se necesitaba otra interfaz de red. Se decidió entonces cambiar a JSON como formato para el intercambio de mensajes. Al final el proyecto comprende no sólo la aplicación web basada en Canvas sino también un servidor funcional y la definición de una nueva interfaz de usuario de red con su protocolo añadido. ABSTRACT. This project aims to become a part of the SSR tool to extend its capabilities in the field of the access. SSR is an acronym for SoundScape Renderer, is a program mostly written in C++ that allows you to hear already recorded or live sound with a variety of sound equipment as if the sound came from a desired place in the space. Like the web-page of the SSR says surely better explained: “The SoundScape Renderer (SSR) is a tool for real-time spatial audio reproduction providing a variety of rendering algorithms.” The application can be used with a graphical interface written in Qt but has also a network interface for external applications to use it. This network interface communicates using XML messages. A good example of it is the Android client. This Android client is already working. In order to use the application should be run it by loading an audio source and the wanted environment so that the renderer knows what to do. In that moment the server binds and anyone can use the network interface. Since the network interface is documented everyone can make an application to interact with this network interface. So the application can have as many user interfaces as wanted. The part that is developed in this project has nothing to do neither with audio rendering nor even with the reproduction of the spatial audio. The part that is developed here is about the interface used in the SSR application. As it can be deduced from the title: “Distributed Web Interface for Real-Time Spatial Audio Reproduction System”, this work aims only to offer the interface via web for the SSR (“Real-Time Spatial Audio Reproduction System”). The idea is not to make a new graphical interface for SSR but to allow more types of interfaces and communication. To accomplish the objective of allowing more graphical interfaces this project is going to use a new network interface. By now the SSR application is using only XML for data interchange but this new network interface support JSON. This project comprehends the server that launch the application, the user interface and the new network interface. It is done with these modules in order to allow creating new user interfaces that can communicate with the server or new servers that can communicate with the user interface by defining a complete network interface for data interchange.

Aspects of a phased array radar feed and bias network design

Radar technologies have been developed to improve the efficiency when detecting targets. Radar is a system composed by several devices connected and working together. Depending on the type of radar, the improvements are focused on different functionalities of the radar. One of the most important devices composing a radar is the antenna, that sends the radio-frequency signal to the space in order to detect targets. This project is focused on a specific type of radar called phased array radar. This type of radar is characterized by its antenna, which consist on a linear array of radiating elements, in this particular case, eight dipoles working at the frequency band S. The main advantage introduced by the phased array antenna is that using the fundamentals of arrays, the directivity of the antenna can change by shifting the phase of the signal at the input of each radiating element. This can be done using phase shifters. Phase shifter consists on a device which produces a phase shift in the radio-frequency input signal depending on a control DC voltage. Using a phased array antenna allows changing the directivity of the antenna without a mechanical rotating system. The objective of this project is to design the feed network and the bias network of the phased antenna. The feed network consists on a parallel-fed network composed by power dividers that sends the radio-frequency signal from the source to each radiating element of the antenna. The bias network consists on a system that generates the control DC voltages supplied to the phase shifters in order to change the directivity. The architecture of the bias network is composed by a software, implemented in Matlab and run in a laptop which is connected to a micro-controller by a serial communication port. The software calculates the control DC voltages needed to obtain a determined directivity or scan angle. These values are sent by the serial communication port to the micro-controller as data. Then the micro-controller generates the desired control DC voltages and supplies them to the phase shifters. In this project two solutions for bias network are designed. Each one is tested and final conclusions are obtained to determine the advantages and disadvantages. Finally a graphic user interface is developed in order to make the system easy to use. RESUMEN. Las tecnologías empleadas por lo dispositivos radar se han ido desarrollando para mejorar su eficiencia y usabilidad. Un radar es un sistema formado por varios subsistemas conectados entre sí. Por lo que dependiendo del tipo de radar las mejoras se centran en los subsistemas correspondientes. Uno de los elementos más importantes de un radar es la antena. Esta se emplea para enviar la señal de radiofrecuencia al espacio y así poder detectar los posibles obstáculos del entorno. Este proyecto se centra en un tipo específico de radar llamado phased array radar. Este tipo de radar se caracteriza por la antena que es un array de antenas, en concreto para este proyecto se trata de un array lineal de ocho dipolos en la banda de frequencia S. El uso de una antena de tipo phased array supone una ventaja importante. Empleando los fundamentos de radiación aplicado a array de antenas se obtiene que la directividad de la antena puede ser modificada. Esto se consigue aplicando distintos desfasajes a la señal de radiofrecuencia que alimenta a cada elemento del array. Para aplicar los desfasajes se emplea un desplazador de fase, este dispositivo aplica una diferencia de fase a su salida con respecto a la señal de entrada dependiendo de una tensión continua de control. Por tanto el empleo de una antena de tipo phased array supone una gran ventaja puesto que no se necesita un sistema de rotación para cambiar la directividad de la antena. El objetivo principal del proyecto consiste en el diseño de la red de alimentación y la red de polarización de la antena de tipo phased array. La red de alimentación consiste en un circuito pasivo que permite alimentar a cada elemento del array con la misma cantidad de señal. Dicha red estará formada por divisores de potencia pasivos y su configuración será en paralelo. Por otro lado la red de polarización consiste en el diseño de un sistema automático que permite cambiar la directividad de la antena. Este sistema consiste en un programa en Matlab que es ejecutado en un ordenador conectado a un micro-controlador mediante una comunicación serie. El funcionamiento se basa en calcular las tensiones continuas de control, que necesitan los desplazadores de fase, mediante un programa en Matlab y enviarlos como datos al micro-controlador. Dicho micro-controlador genera las tensiones de control deseadas y las proporciona a cada desplazador de fase, obteniendo así la directividad deseada. Debido al amplio abanico de posibilidades, se obtienen dos soluciones que son sometidas a pruebas. Se obtienen las ventajas y desventajas de cada una. Finalmente se implementa una interfaz gráfica de usuario con el objetivo de hacer dicho sistema manejable y entendible para cualquier usuario.

Network-based biomarkers in Alzheimer's disease: review and future directions

By 2050 it is estimated that the number of worldwide Alzheimer?s disease (AD) patients will quadruple from the current number of 36 million people. To date, no single test, prior to postmortem examination, can confirm that a person suffers from AD. Therefore, there is a strong need for accurate and sensitive tools for the early diagnoses of AD. The complex etiology and multiple pathogenesis of AD call for a system-level understanding of the currently available biomarkers and the study of new biomarkers via network-based modeling of heterogeneous data types. In this review, we summarize recent research on the study of AD as a connectivity syndrome. We argue that a network-based approach in biomarker discovery will provide key insights to fully understand the network degeneration hypothesis (disease starts in specific network areas and progressively spreads to connected areas of the initial loci-networks) with a potential impact for early diagnosis and disease-modifying treatments. We introduce a new framework for the quantitative study of biomarkers that can help shorten the transition between academic research and clinical diagnosis in AD.

WSM : metodología de web scraping para Android y ejemplificación mediante la aplicación UPMDroid

En la realización de este proyecto se ha tratado principalmente la temática del web scraping sobre documentos HTML en Android. Como resultado del mismo, se ha propuesto una metodología para poder realizar web scraping en aplicaciones implementadas para este sistema operativo y se desarrollará una aplicación basada en esta metodología que resulte útil a los alumnos de la escuela. Web scraping se puede definir como una técnica basada en una serie de algoritmos de búsqueda de contenido con el fin de obtener una determinada información de páginas web, descartando aquella que no sea relevante. Como parte central, se ha dedicado bastante tiempo al estudio de los navegadores y servidores Web, y del lenguaje HTML presente en casi todas las páginas web en la actualidad así como de los mecanismos utilizados para la comunicación entre cliente y servidor ya que son los pilares en los que se basa esta técnica. Se ha realizado un estudio de las técnicas y herramientas necesarias, aportándose todos los conceptos teóricos necesarios, así como la proposición de una posible metodología para su implementación. Finalmente se ha codificado la aplicación UPMdroid, desarrollada con el fin de ejemplificar la implementación de la metodología propuesta anteriormente y a la vez desarrollar una aplicación cuya finalidad es brindar al estudiante de la ETSIST un soporte móvil en Android que le facilite el acceso y la visualización de aquellos datos más importantes del curso académico como son: el horario de clases y las calificaciones de las asignaturas en las que se matricule. Esta aplicación, además de implementar la metodología propuesta, es una herramienta muy interesante para el alumno, ya que le permite utilizar de una forma sencilla e intuitiva gran número de funcionalidades de la escuela solucionando así los problemas de visualización de contenido web en los dispositivos. ABSTRACT. The main topic of this project is about the web scraping over HTML documents on Android OS. As a result thereof, it is proposed a methodology to perform web scraping in deployed applications for this operating system and based on this methodology that is useful to the ETSIST school students. Web scraping can be defined as a technique based on a number of content search algorithms in order to obtain certain information from web pages, discarding those that are not relevant. As a main part, has spent considerable time studying browsers and Web servers, and the HTML language that is present today in almost all websites as well as the mechanisms used for communication between client and server because they are the pillars which this technique is based. We performed a study of the techniques and tools needed, providing all the necessary theoretical concepts, as well as the proposal of a possible methodology for implementation. Finally it has codified UPMdroid application, developed in order to illustrate the implementation of the previously proposed methodology and also to give the student a mobile ETSIST Android support to facilitate access and display those most important data of the current academic year such as: class schedules and scores for the subjects in which you are enrolled. This application, in addition to implement the proposed methodology is also a very interesting tool for the student, as it allows a simple and intuitive way of use these school functionalities thus fixing the viewing web content on devices.

Interacción desde dispositivos Android vía Bluetooth, con juguete teledirigido, para su uso por personas con discapacidad

El Proyecto Fin de Carrera, con título, "Interacción desde dispositivos Android vía Bluetooth, con juguete teledirigido, para su uso por personas con discapacidad" pretende completar la primera versión de la aplicación sobre dispositivo Android para manejar un juguete teledirigido añadiendo nuevas formas de interactuar con el dispositivo Android. Para este caso, el juguete teledirigido es el mismo: el robot esférico llamado Sphero. Dicho robot posee una interfaz a través de la cual puede recibir instrucciones, y mediante las cuales, se puede poner en movimiento o iluminarse con diferentes colores. Esta ampliación facilitará la interacción del usuario con el dispositivo Android, además de ampliar la funcionalidad hacia la inversa: recibir los movimientos del robot Sphero en el dispositivo Android cuando es manejado con la mano. Completando la primera versión, como cumplimiento de este Proyecto Fin de Carrera, se han realizado una serie de mandos nuevos, los cuales abarcan desde el manejo del robot por instrucciones de voz, movimientos del dispositivo Android desde el que se ejecuta, describir una trayectoria dibujada previamente en el dispositivo Android, o, realizar una serie de movimientos corregidos mediante la aplicación gracias a los límites de movimientos para un usuario concreto que pueden introducirse. Además, completando lo anteriormente escrito, se ha desarrollado una aplicación web que registrará todos los datos de uso del juguete, la cual, explota una base de datos que almacena toda interacción con el juguete. Estos datos estarán asociados a un usuario, debido a que la aplicación Android debe perfilarse para el uso de un usuario concreto. El perfilado de usuario se ha completado añadiendo una serie de información que puede ser útil para la persona que analice el comportamiento de una persona con discapacidad que utilice la aplicación. Por último, se ha realizado un estudio de elementos externos que puedan facilitar la interacción con los dispositivos Android a personas que sufran alguna discapacidad. ABSTRACT. The Thesis, titled "Interaction from Android devices via Bluetooth, with remote control toy, for use by people with disabilities" project aims to complete the first version of the application on Android device to manage a remote control toy adding new ways of interacting to Android device. For this case, the remote control toy is the same: the spherical robot called Sphero. This robot has an interface through which it can receive instructions, and by means of which can be set in motion or illuminated with different colors. This expansion will facilitate user interaction with the Android device, and extend the functionality to reverse: receiving Sphero robot movements in the Android device when handled by hand. Completing the first version, in fulfillment of this Thesis, there have been a number of new controls, which range from control of robot by voice instructions, movements Android device from which it runs, describe a path drawn previously on your Android device, or perform a series of movements corrected by applying through limits of movement for a particular user can be made. Besides completing the above written, has developed a web application that will record all data on use of the toy, which exploits a database that stores all interaction with the toy. These data will be associated with a user, because the Android application should be outlined for the use of a particular user. The user profile is completed by adding a range of information that can be useful for the person to analyze the behavior of a disabled person to use the application. Finally, a study was made of external elements that can facilitate interaction with Android devices to people who suffer from a disability.

Self-organizing cultured neural networks: Image analysis techniques for longitudinal tracking and modeling of the underlying network structure

Esta tesis estudia la evolución estructural de conjuntos de neuronas como la capacidad de auto-organización desde conjuntos de neuronas separadas hasta que forman una red (clusterizada) compleja. Esta tesis contribuye con el diseño e implementación de un algoritmo no supervisado de segmentación basado en grafos con un coste computacional muy bajo. Este algoritmo proporciona de forma automática la estructura completa de la red a partir de imágenes de cultivos neuronales tomadas con microscopios de fase con una resolución muy alta. La estructura de la red es representada mediante un objeto matemático (matriz) cuyos nodos representan a las neuronas o grupos de neuronas y los enlaces son las conexiones reconstruidas entre ellos. Este algoritmo extrae también otras medidas morfológicas importantes que caracterizan a las neuronas y a las neuritas. A diferencia de otros algoritmos hasta el momento, que necesitan de fluorescencia y técnicas inmunocitoquímicas, el algoritmo propuesto permite el estudio longitudinal de forma no invasiva posibilitando el estudio durante la formación de un cultivo. Además, esta tesis, estudia de forma sistemática un grupo de variables topológicas que garantizan la posibilidad de cuantificar e investigar la progresión de las características principales durante el proceso de auto-organización del cultivo. Nuestros resultados muestran la existencia de un estado concreto correspondiente a redes con configuracin small-world y la emergencia de propiedades a micro- y meso-escala de la estructura de la red. Finalmente, identificamos los procesos físicos principales que guían las transformaciones morfológicas de los cultivos y proponemos un modelo de crecimiento de red que reproduce el comportamiento cuantitativamente de las observaciones experimentales. ABSTRACT The thesis analyzes the morphological evolution of assemblies of living neurons, as they self-organize from collections of separated cells into elaborated, clustered, networks. In particular, it contributes with the design and implementation of a graph-based unsupervised segmentation algorithm, having an associated very low computational cost. The processing automatically retrieves the whole network structure from large scale phase-contrast images taken at high resolution throughout the entire life of a cultured neuronal network. The network structure is represented by a mathematical object (a matrix) in which nodes are identified neurons or neurons clusters, and links are the reconstructed connections between them. The algorithm is also able to extract any other relevant morphological information characterizing neurons and neurites. More importantly, and at variance with other segmentation methods that require fluorescence imaging from immunocyto- chemistry techniques, our measures are non invasive and entitle us to carry out a fully longitudinal analysis during the maturation of a single culture. In turn, a systematic statistical analysis of a group of topological observables grants us the possibility of quantifying and tracking the progression of the main networks characteristics during the self-organization process of the culture. Our results point to the existence of a particular state corresponding to a small-world network configuration, in which several relevant graphs micro- and meso-scale properties emerge. Finally, we identify the main physical processes taking place during the cultures morphological transformations, and embed them into a simplified growth model that quantitatively reproduces the overall set of experimental observations.

Self-organizing cultured neural networks: Image analysis techniques for longitudinal tracking and modeling of the underlying network structure (versión actualizada)

Esta tesis estudia la evolución estructural de conjuntos de neuronas como la capacidad de auto-organización desde conjuntos de neuronas separadas hasta que forman una red (clusterizada) compleja. Esta tesis contribuye con el diseño e implementación de un algoritmo no supervisado de segmentación basado en grafos con un coste computacional muy bajo. Este algoritmo proporciona de forma automática la estructura completa de la red a partir de imágenes de cultivos neuronales tomadas con microscopios de fase con una resolución muy alta. La estructura de la red es representada mediante un objeto matemático (matriz) cuyos nodos representan a las neuronas o grupos de neuronas y los enlaces son las conexiones reconstruidas entre ellos. Este algoritmo extrae también otras medidas morfológicas importantes que caracterizan a las neuronas y a las neuritas. A diferencia de otros algoritmos hasta el momento, que necesitan de fluorescencia y técnicas inmunocitoquímicas, el algoritmo propuesto permite el estudio longitudinal de forma no invasiva posibilitando el estudio durante la formación de un cultivo. Además, esta tesis, estudia de forma sistemática un grupo de variables topológicas que garantizan la posibilidad de cuantificar e investigar la progresión de las características principales durante el proceso de auto-organización del cultivo. Nuestros resultados muestran la existencia de un estado concreto correspondiente a redes con configuracin small-world y la emergencia de propiedades a micro- y meso-escala de la estructura de la red. Finalmente, identificamos los procesos físicos principales que guían las transformaciones morfológicas de los cultivos y proponemos un modelo de crecimiento de red que reproduce el comportamiento cuantitativamente de las observaciones experimentales. ABSTRACT The thesis analyzes the morphological evolution of assemblies of living neurons, as they self-organize from collections of separated cells into elaborated, clustered, networks. In particular, it contributes with the design and implementation of a graph-based unsupervised segmentation algorithm, having an associated very low computational cost. The processing automatically retrieves the whole network structure from large scale phase-contrast images taken at high resolution throughout the entire life of a cultured neuronal network. The network structure is represented by a mathematical object (a matrix) in which nodes are identified neurons or neurons clusters, and links are the reconstructed connections between them. The algorithm is also able to extract any other relevant morphological information characterizing neurons and neurites. More importantly, and at variance with other segmentation methods that require fluorescence imaging from immunocyto- chemistry techniques, our measures are non invasive and entitle us to carry out a fully longitudinal analysis during the maturation of a single culture. In turn, a systematic statistical analysis of a group of topological observables grants us the possibility of quantifying and tracking the progression of the main networks characteristics during the self-organization process of the culture. Our results point to the existence of a particular state corresponding to a small-world network configuration, in which several relevant graphs micro- and meso-scale properties emerge. Finally, we identify the main physical processes taking place during the cultures morphological transformations, and embed them into a simplified growth model that quantitatively reproduces the overall set of experimental observations.

Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

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

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.

The Yeast GRD20 Gene Is Required for Protein Sorting in the trans-Golgi Network/Endosomal System and for Polarization of the Actin Cytoskeleton

The proper localization of resident membrane proteins to the trans-Golgi network (TGN) involves mechanisms for both TGN retention and retrieval from post-TGN compartments. In this study we report identification of a new gene, GRD20, involved in protein sorting in the TGN/endosomal system of Saccharomyces cerevisiae. A strain carrying a transposon insertion allele of GRD20 exhibited rapid vacuolar degradation of the resident TGN endoprotease Kex2p and aberrantly secreted ∼50% of the soluble vacuolar hydrolase carboxypeptidase Y. The Kex2p mislocalization and carboxypeptidase Y missorting phenotypes were exhibited rapidly after loss of Grd20p function in grd20 temperature-sensitive mutant strains, indicating that Grd20p plays a direct role in these processes. Surprisingly, little if any vacuolar degradation was observed for the TGN membrane proteins A-ALP and Vps10p, underscoring a difference in trafficking patterns for these proteins compared with that of Kex2p. A grd20 null mutant strain exhibited extremely slow growth and a defect in polarization of the actin cytoskeleton, and these two phenotypes were invariably linked in a collection of randomly mutagenized grd20 alleles. GRD20 encodes a hydrophilic protein that partially associates with the TGN. The discovery of GRD20 suggests a link between the cytoskeleton and function of the yeast TGN.

Ric1p and the Ypt6p GTPase Function in a Common Pathway Required for Localization of Trans-Golgi Network Membrane Proteins

In Saccharomyces cerevisiae, clathrin is necessary for localization of trans-Golgi network (TGN) membrane proteins, a process that involves cycling of TGN proteins between the TGN and endosomes. To characterize further TGN protein localization, we applied a screen for mutations that cause severe growth defects in combination with a temperature-sensitive clathrin heavy chain. This screen yielded a mutant allele of RIC1. Cells carrying a deletion of RIC1 (ric1Δ) mislocalize TGN membrane proteins Kex2p and Vps10p to the vacuole. Delivery to the vacuole occurs in ric1Δ cells also harboring end3Δ to block endocytosis, indicative of a defect in retrieval to the TGN rather than sorting to endosomes. SYS1, originally discovered as a multicopy suppressor of defects caused by the absence of the Rab GTPase YPT6, was identified as a multicopy suppressor of ric1Δ. Further comparison of ric1Δ and ypt6Δ cells demonstrated identical phenotypes. Multicopy plasmids expressing v-SNAREs Gos1p or Ykt6p, but not other v- and t-SNAREs, partially suppressed phenotypes of ric1Δ and ypt6Δ cells. SLY1–20, a dominant activator of the cis-Golgi network t-SNARE Sed5p, also functioned as a multicopy suppressor. Because Gos1p and Ykt6p interact with Sed5p, these results raise the possibility that TGN membrane protein localization requires Ric1p- and Ypt6p-dependent retrieval to the cis-Golgi network.

Dual Targeting of Osh1p, a Yeast Homologue of Oxysterol-binding Protein, to both the Golgi and the Nucleus-Vacuole Junction

Oxysterol binding protein (OSBP) is the only protein known to bind specifically to the group of oxysterols with potent effects on cholesterol homeostasis. Although the function of OSBP is currently unknown, an important role is implicated by the existence of multiple homologues in all eukaryotes so far examined. OSBP and a subset of homologues contain pleckstrin homology (PH) domains. Such domains are responsible for the targeting of a wide range of proteins to the plasma membrane. In contrast, OSBP is a peripheral protein of Golgi membranes, and its PH domain targets to the trans-Golgi network of mammalian cells. In this article, we have characterized Osh1p, Osh2p, and Osh3p, the three homologues of OSBP in Saccharomyces cerevisiae that contain PH domains. Examination of a green fluorescent protein (GFP) fusion to Osh1p revealed a striking dual localization with the protein present on both the late Golgi, and in the recently described nucleus-vacuole (NV) junction. Deletion mapping revealed that the PH domain of Osh1p specified targeting to the late Golgi, and an ankyrin repeat domain targeting to the NV junction, the first such targeting domain identified for this structure. GFP fusions to Osh2p and Osh3p showed intracellular distributions distinct from that of Osh1p, and their PH domains appear to contribute to their differing localizations.

Neural-network-based classification of cognitively normal, demented, Alzheimer disease and vascular dementia from single photon emission with computed tomography image data from brain.

Single photon emission with computed tomography (SPECT) hexamethylphenylethyleneamineoxime technetium-99 images were analyzed by an optimal interpolative neural network (OINN) algorithm to determine whether the network could discriminate among clinically diagnosed groups of elderly normal, Alzheimer disease (AD), and vascular dementia (VD) subjects. After initial image preprocessing and registration, image features were obtained that were representative of the mean regional tissue uptake. These features were extracted from a given image by averaging the intensities over various regions defined by suitable masks. After training, the network classified independent trials of patients whose clinical diagnoses conformed to published criteria for probable AD or probable/possible VD. For the SPECT data used in the current tests, the OINN agreement was 80 and 86% for probable AD and probable/possible VD, respectively. These results suggest that artificial neural network methods offer potential in diagnoses from brain images and possibly in other areas of scientific research where complex patterns of data may have scientifically meaningful groupings that are not easily identifiable by the researcher.

On Modeling an Innovative Monitoring Network for Protecting and Managing Cultural Heritage from Risk Events

In this paper the model of an Innovative Monitoring Network involving properly connected nodes to develop an Information and Communication Technology (ICT) solution for preventive maintenance of historical centres from early warnings is proposed. It is well known that the protection of historical centres generally goes from a large-scale monitoring to a local one and it could be supported by a unique ICT solution. More in detail, the models of a virtually organized monitoring system could enable the implementation of automated analyses by presenting various alert levels. An adequate ICT solution tool would allow to define a monitoring network for a shared processing of data and results. Thus, a possible retrofit solution could be planned for pilot cases shared among the nodes of the network on the basis of a suitable procedure utilizing a retrofit catalogue. The final objective would consist in providing a model of an innovative tool to identify hazards, damages and possible retrofit solutions for historical centres, assuring an easy early warning support for stakeholders. The action could proactively target the needs and requirements of users, such as decision makers responsible for damage mitigation and safeguarding of cultural heritage assets.

Analyzing the commercial activities of a street network by ranking their nodes: a case study in Murcia, Spain

Urban researchers and planners are often interested in understanding how economic activities are distributed in urban regions, what forces influence their special pattern and how urban structure and functions are mutually dependent. In this paper, we want to show how an algorithm for ranking the nodes in a network can be used to understand and visualize certain commercial activities of a city. The first part of the method consists of collecting real information about different types of commercial activities at each location in the urban network of the city of Murcia, Spain. Four clearly differentiated commercial activities are studied, such as restaurants and bars, shops, banks and supermarkets or department stores, but obviously we can study other. The information collected is then quantified by means of a data matrix, which is used as the basis for the implementation of a PageRank algorithm which produces a ranking of all the nodes in the network, according to their significance within it. Finally, we visualize the resulting classification using a colour scale that helps us to represent the business network.