Implementation of the Heated Pulsed Theory using actively heated fiber optics: measurements of soil volumetric water content and soil volumetric heat capacity

Existe una creciente necesidad de hacer el mejor uso del agua para regadío. Una alternativa eficiente consiste en la monitorización del contenido volumétrico de agua (θ), utilizando sensores de humedad. A pesar de existir una gran diversidad de sensores y tecnologías disponibles, actualmente ninguna de ellas permite obtener medidas distribuidas en perfiles verticales de un metro y en escalas laterales de 0.1-1,000 m. En este sentido, es necesario buscar tecnologías alternativas que sirvan de puente entre las medidas puntuales y las escalas intermedias. Esta tesis doctoral se basa en el uso de Fibra Óptica (FO) con sistema de medida de temperatura distribuida (DTS), una tecnología alternativa de reciente creación que ha levantado gran expectación en las últimas dos décadas. Específicamente utilizamos el método de fibra calentada, en inglés Actively Heated Fiber Optic (AHFO), en la cual los cables de Fibra Óptica se utilizan como sondas de calor mediante la aplicación de corriente eléctrica a través de la camisa de acero inoxidable, o de un conductor eléctrico simétricamente posicionado, envuelto, alrededor del haz de fibra óptica. El uso de fibra calentada se basa en la utilización de la teoría de los pulsos de calor, en inglés Heated Pulsed Theory (HPP), por la cual el conductor se aproxima a una fuente de calor lineal e infinitesimal que introduce calor en el suelo. Mediante el análisis del tiempo de ocurrencia y magnitud de la respuesta térmica ante un pulso de calor, es posible estimar algunas propiedades específicas del suelo, tales como el contenido de humedad, calor específico (C) y conductividad térmica. Estos parámetros pueden ser estimados utilizando un sensor de temperatura adyacente a la sonda de calor [método simple, en inglés single heated pulsed probes (SHPP)], ó a una distancia radial r [método doble, en inglés dual heated pulsed probes (DHPP)]. Esta tesis doctoral pretende probar la idoneidad de los sistemas de fibra óptica calentada para la aplicación de la teoría clásica de sondas calentadas. Para ello, se desarrollarán dos sistemas FO-DTS. El primero se sitúa en un campo agrícola de La Nava de Arévalo (Ávila, España), en el cual se aplica la teoría SHPP para estimar θ. El segundo sistema se desarrolla en laboratorio y emplea la teoría DHPP para medir tanto θ como C. La teoría SHPP puede ser implementada con fibra óptica calentada para obtener medidas distribuidas de θ, mediante la utilización de sistemas FO-DTS y el uso de curvas de calibración específicas para cada suelo. Sin embargo, la mayoría de aplicaciones AHFO se han desarrollado exclusivamente en laboratorio utilizando medios porosos homogéneos. En esta tesis se utiliza el programa Hydrus 2D/3D para definir tales curvas de calibración. El modelo propuesto es validado en un segmento de cable enterrado en una instalación de fibra óptica y es capaz de predecir la respuesta térmica del suelo en puntos concretos de la instalación una vez que las propiedades físicas y térmicas de éste son definidas. La exactitud de la metodología para predecir θ frente a medidas puntuales tomadas con sensores de humedad comerciales fue de 0.001 a 0.022 m3 m-3 La implementación de la teoría DHPP con AHFO para medir C y θ suponen una oportunidad sin precedentes para aplicaciones medioambientales. En esta tesis se emplean diferentes combinaciones de cables y fuentes emisoras de calor, que se colocan en paralelo y utilizan un rango variado de espaciamientos, todo ello en el laboratorio. La amplitud de la señal y el tiempo de llegada se han observado como funciones del calor específico del suelo. Medidas de C, utilizando esta metodología y ante un rango variado de contenidos de humedad, sugirieron la idoneidad del método, aunque también se observaron importantes errores en contenidos bajos de humedad de hasta un 22%. La mejora del método requerirá otros modelos más precisos que tengan en cuenta el diámetro del cable, así como la posible influencia térmica del mismo. ABSTRACT There is an increasing need to make the most efficient use of water for irrigation. A good approach to make irrigation as efficient as possible is to monitor soil water content (θ) using soil moisture sensors. Although, there is a broad range of different sensors and technologies, currently, none of them can practically and accurately provide vertical and lateral moisture profiles spanning 0-1 m depth and 0.1-1,000 m lateral scales. In this regard, further research to fulfill the intermediate scale and to bridge single-point measurement with the broaden scales is still needed. This dissertation is based on the use of Fiber Optics with Distributed Temperature Sensing (FO-DTS), a novel approach which has been receiving growing interest in the last two decades. Specifically, we employ the so called Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method, in which FO cables are employed as heat probe conductors by applying electricity to the stainless steel armoring jacket or an added conductor symmetrically positioned (wrapped) about the FO cable. AHFO is based on the classic Heated Pulsed Theory (HPP) which usually employs a heat probe conductor that approximates to an infinite line heat source which injects heat into the soil. Observation of the timing and magnitude of the thermal response to the energy input provide enough information to derive certain specific soil thermal characteristics such as the soil heat capacity, soil thermal conductivity or soil water content. These parameters can be estimated by capturing the soil thermal response (using a thermal sensor) adjacent to the heat source (the heating and the thermal sources are mounted together in the so called single heated pulsed probe (SHPP)), or separated at a certain distance, r (dual heated pulsed method (DHPP) This dissertation aims to test the feasibility of heated fiber optics to implement the HPP theory. Specifically, we focus on measuring soil water content (θ) and soil heat capacity (C) by employing two types of FO-DTS systems. The first one is located in an agricultural field in La Nava de Arévalo (Ávila, Spain) and employ the SHPP theory to estimate θ. The second one is developed in the laboratory using the procedures described in the DHPP theory, and focuses on estimating both C and θ. The SHPP theory can be implemented with actively heated fiber optics (AHFO) to obtain distributed measurements of soil water content (θ) by using reported soil thermal responses in Distributed Temperature Sensing (DTS) and with a soil-specific calibration relationship. However, most reported AHFO applications have been calibrated under laboratory homogeneous soil conditions, while inexpensive efficient calibration procedures useful in heterogeneous soils are lacking. In this PhD thesis, we employ the Hydrus 2D/3D code to define these soil-specific calibration curves. The model is then validated at a selected FO transect of the DTS installation. The model was able to predict the soil thermal response at specific locations of the fiber optic cable once the surrounding soil hydraulic and thermal properties were known. Results using electromagnetic moisture sensors at the same specific locations demonstrate the feasibility of the model to detect θ within an accuracy of 0.001 to 0.022 m3 m-3. Implementation of the Dual Heated Pulsed Probe (DPHP) theory for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with Distributed Temperature Sensing (DTS) heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring. We test the method using different combinations of FO cables and heat sources at a range of spacings in a laboratory setting. The amplitude and phase-shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity (referred, here, to as Cs). Estimations of Cs at a range of θ suggest feasibility via responsiveness to the changes in θ (we observed a linear relationship in all FO combinations), though observed bias with decreasing soil water contents (up to 22%) was also reported. Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables, employed here as “needle probes”. Also, consideration of the range of soil conditions and cable spacing and jacket configurations, suggested here to be valuable subjects of further study and development.

Soil moisture content determines the effect of the urease inhibitor NBPT on N2O emissions

Among the mitigation strategies to prevent nitrogen (N) losses from ureic fertilizers, urease inhibitors (UIs) have been demonstrated to promote high N use efficiency by reducing ammonia (NH3) volatilization. In the last few years, some field experiments have also shown its effectiveness in reducing nitrous oxide (N2O) losses from fertilized soils under conditions of low soil moisture. An incubation experiment was carried out with the aim of assessing the main biotic mechanisms behind N2O emissions once that the UIs N-(n-butyl) thiophosphoric triamid (NBPT) and phenil phosphorodiamidate (PPDA) were applied with Urea (U) under different soil moisture conditions (40, 60 and 80 % water-filled pore space, WFPS). In the same study we tried to analyze to what extent soil WFPS regulates the effect of these inhibitors on N2O emissions. The use of PPDA in our study allowed us to compare the effect of NBPT with that of another commercially available urease inhibitor, aiming to see if the results were inhibitor-specific or not. Based on the results from this experiment, a WFPS (i.e. 60 %) was chosen for a second study (i.e. mesocosm experiment) aiming to assess the efficiency of the UIs to indirectly affect N2O emissions through influencing the pool of soil mineral N. The N2O emissions at 40 % WFPS were almost negligible, being significantly lower from all fertilized treatments than that produced at 60 and 80 % WFPS. When compared to U alone, NBPT+U reduced the N2O emissions at 60 % WFPS but had no effect at 80 % WFPS. The application of PPDA significantly increased the emissions with respect to U at 80 % WFPS whereas no significant effect was found at 60 %. At 80 % WFPS, denitrification was the main source of N2O emissions for all treatments. In the mesocosm study, the application of NBPT+U was an effective strategy to reduce N2O emissions (75 % reduction compared to U alone), due to a lower soil ammonium (NH4 +) content induced by the inhibitor. These results suggest that adequate management of the UI NBPT could provide, under certain soil conditions, an opportunity for mitigation of N2O emissions from fertilized soils.

Subjective quality assessment of an adaptive video streaming model

With the recent increased popularity and high usage of HTTP Adaptive Streaming (HAS) techniques, various studies have been carried out in this area which generally focused on the technical enhancement of HAS technology and applications. However, a lack of common HAS standard led to multiple proprietary approaches which have been developed by major Internet companies. In the emerging MPEG-DASH standard the packagings of the video content and HTTP syntax have been standardized; but all the details of the adaptation behavior are left to the client implementation. Nevertheless, to design an adaptation algorithm which optimizes the viewing experience of the enduser, the multimedia service providers need to know about the Quality of Experience (QoE) of different adaptation schemes. Taking this into account, the objective of this experiment was to study the QoE of a HAS-based video broadcast model. The experiment has been carried out through a subjective study of the end user response to various possible clients’ behavior for changing the video quality taking different QoE-influence factors into account. The experimental conclusions have made a good insight into the QoE of different adaptation schemes which can be exploited by HAS clients for designing the adaptation algorithms.

Mapping variability of soil water content and flux across 1¿1000 m scales using the actively heated fiber optic method

The Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method is shown to be capable of measuring soil water content several times per hour at 0.25 m spacing along cables of multiple kilometers in length. AHFO is based on distributed temperature sensing (DTS) observation of the heating and cooling of a buried fiber-optic cable resulting from an electrical impulse of energy delivered from the steel cable jacket. The results presented were collected from 750 m of cable buried in three 240 m colocated transects at 30, 60, and 90 cm depths in an agricultural field under center pivot irrigation. The calibration curve relating soil water content to the thermal response of the soil to a heat pulse of 10 W m−1 for 1 min duration was developed in the lab. This calibration was found applicable to the 30 and 60 cm depth cables, while the 90 cm depth cable illustrated the challenges presented by soil heterogeneity for this technique. This method was used to map with high resolution the variability of soil water content and fluxes induced by the nonuniformity of water application at the surface.

Desarrollo de servicios de distribución de contenidos multimedia en redes corporativas con tecnología SDN

En la actualidad, es ampliamente conocido que uno de los principales desafíos que enfrentan las organizaciones es el crecimiento de Internet, tanto en número de clientes como en tráfico multimedia. Una red de entrega de contenidos (CDN, Content Delivery Network) es una opción para mejorar la experiencia de los usuarios finales, es decir, hacer más eficiente y fiable la distribución de contenidos. Sin embargo, con los nuevos requisitos de negocio y tecnologías, los operadores de CDN tienen que mejorar la arquitectura de la red. La Red definida por software (SDN, Software Defined Networking) es una nueva arquitectura de la red con un gran potencial, y el aspecto principal es la separación de los planos de datos y de control. El objetivo de este trabajo fin de grado es proporcionar una arquitectura basada en la tecnología SDN para poder sustituir la parte de la redirección DNS en una red CDN

User experience with immersive and interactive media = Experiencia de usuario en entornos 3D inmersivos e interactivos

Estudios recientes promueven la integración de estímulos multisensoriales en activos multimedia con el fin de mejorar la experiencia de usuario mediante la estimulación de nuevos sentidos, más allá de la tradicional experiencia audiovisual. Del mismo modo, varios trabajos proponen la introducción de componentes de interacción capaces de complementar con nuevas características, funcionalidades y/o información la experiencia multimedia. Efectos sensoriales basados en el uso de nuevas técnicas de audio, olores, viento, vibraciones y control de la iluminación, han demostrado tener un impacto favorable en la sensación de Presencia, en el disfrute de la experiencia multimedia y en la calidad, relevancia y realismo de la misma percibidos por el usuario. Asimismo, los servicios basados en dos pantallas y la manipulación directa de (elementos en) la escena de video tienen el potencial de mejorar la comprensión, la concentración y la implicación proactiva del usuario en la experiencia multimedia. El deporte se encuentra entre los géneros con mayor potencial para integrar y explotar éstas soluciones tecnológicas. Trabajos previos han demostrado asimismo la viabilidad técnica de integrar éstas tecnologías con los estándares actualmente adoptados a lo largo de toda la cadena de transmisión de televisión. De este modo, los sistemas multimedia enriquecidos con efectos sensoriales, los servicios interactivos multiplataforma y un mayor control del usuario sobre la escena de vídeo emergen como nuevas formas de llevar la multimedia immersiva e interactiva al mercado de consumo de forma no disruptiva. Sin embargo, existen numerosas interrogantes relativas a los efectos sensoriales y/o soluciones interactivas más adecuadas para complementar un contenido audiovisual determinado o a la mejor manera de de integrar y combinar dichos componentes para mejorar la experiencia de usuario de un segmento de audiencia objetivo. Además, la evidencia científica sobre el impacto de factores humanos en la experiencia de usuario con estas nuevas formas de immersión e interacción en el contexto multimedia es aún insuficiente y en ocasiones, contradictoria. Así, el papel de éstos factores en el potencial de adopción de éstas tecnologías ha sido amplia-mente ignorado. La presente tesis analiza el impacto del audio binaural, efectos sensoriales (de iluminación y olfativos), interacción con objetos 3D integrados en la escena de vídeo e interacción con contenido adicional utilizando una segunda pantalla en la experiencia de usuario con contenidos de deporte. La posible influencia de dichos componentes en las variables dependientes se explora tanto a nivel global (efecto promedio) como en función de las características de los usuarios (efectos heterogéneos). Para ello, se ha llevado a cabo un experimento con usuarios orientado a explorar la influencia de éstos componentes immersivos e interactivos en dos grandes dimensiones de la experiencia multimedia: calidad y Presencia. La calidad de la experiencia multimedia se analiza en términos de las posibles variaciones asociadas a la calidad global y a la calidad del contenido, la imagen, el audio, los efectos sensoriales, la interacción con objetos 3D y la interacción con la segunda pantalla. El posible impacto en la Presencia considera dos de las dimensiones definidas por el cuestionario ITC-SOPI: Presencia Espacial (Spatial Presence) e Implicación (Engagement). Por último, los individuos son caracterizados teniendo en cuenta los siguientes atributos afectivos, cognitivos y conductuales: preferencias y hábitos en relación con el contenido, grado de conocimiento de las tecnologías integradas en el sistema, tendencia a involucrarse emocionalmente, tendencia a concentrarse en una actividad bloqueando estímulos externos y los cinco grandes rasgos de la personalidad: extroversión, amabilidad, responsabilidad, inestabilidad emocional y apertura a nuevas experiencias. A nivel global, nuestro estudio revela que los participantes prefieren el audio binaural frente al sistema estéreo y que los efectos sensoriales generan un aumento significativo del nivel de Presencia Espacial percibido por los usuarios. Además, las manipulaciones experimentales realizadas permitieron identificar una gran variedad de efectos heterogéneos. Un resultado interesante es que dichos efectos no se encuentran distribuidos de forma equitativa entre las medidas de calidad y Presencia. Nuestros datos revelan un impacto generalizado del audio binaural en la mayoría de las medidas de calidad y Presencia analizadas. En cambio, la influencia de los efectos sensoriales y de la interacción con la segunda pantalla se concentran en las medidas de Presencia y calidad, respectivamente. La magnitud de los efectos heterogéneos identificados está modulada por las siguientes características personales: preferencias en relación con el contenido, frecuencia con la que el usuario suele ver contenido similar, conocimiento de las tecnologías integradas en el demostrador, sexo, tendencia a involucrarse emocionalmente, tendencia a a concentrarse en una actividad bloqueando estímulos externos y niveles de amabilidad, responsabilidad y apertura a nuevas experiencias. Las características personales consideradas en nuestro experimento explicaron la mayor parte de la variación en las variables dependientes, confirmando así el importante (y frecuentemente ignorado) papel de las diferencias individuales en la experiencia multimedia. Entre las características de los usuarios con un impacto más generalizado se encuentran las preferencias en relación con el contenido, el grado de conocimiento de las tecnologías integradas en el sistema y la tendencia a involucrarse emocionalmente. En particular, los primeros dos factores parecen generar un conflicto de atención hacia el contenido versus las características/elementos técnicos del sistema, respectivamente. Asimismo, la experiencia multimedia de los fans del fútbol parece estar modulada por procesos emociona-les, mientras que para los no-fans predominan los procesos cognitivos, en particular aquellos directamente relacionados con la percepción de calidad. Abstract Recent studies encourage the integration of multi-sensorial stimuli into multimedia assets to enhance the user experience by stimulating other senses beyond sight and hearing. Similarly, the introduction of multi-modal interaction components complementing with new features, functionalities and/or information the multimedia experience is promoted. Sensory effects as odor, wind, vibration and light effects, as well as an enhanced audio quality, have been found to favour media enjoyment and to have a positive influence on the sense of Presence and on the perceived quality, relevance and reality of a multimedia experience. Two-screen services and a direct manipulation of (elements in) the video scene have the potential to enhance user comprehension, engagement and proactive involvement of/in the media experience. Sports is among the genres that could benefit the most from these solutions. Previous works have demonstrated the technical feasibility of implementing and deploying end-to-end solutions integrating these technologies into legacy systems. Thus, sensorially-enhanced media, two-screen services and an increased user control over the displayed scene emerge as means to deliver a new form of immersive and interactive media experiences to the mass market in a non-disruptive manner. However, many questions remain concerning issues as the specific interactive solutions or sensory effects that can better complement a given audiovisual content or the best way in which to integrate and combine them to enhance the user experience of a target audience segment. Furthermore, scientific evidence on the impact of human factors on the user experience with these new forms of immersive and interactive media is still insufficient and sometimes, contradictory. Thus, the role of these factors on the potential adoption of these technologies has been widely ignored. This thesis analyzes the impact of binaural audio, sensory (light and olfactory) effects, interaction with 3D objects integrated into the video scene and interaction with additional content using a second screen on the sports media experience. The potential influence of these components on the dependent variables is explored both at the overall level (average effect) and as a function of users’ characteristics (heterogeneous effects). To these aims, we conducted an experimental study exploring the influence of these immersive and interactive elements on the quality and Presence dimensions of the media experience. Along the quality dimension, we look for possible variations on the quality scores as-signed to the overall media experience and to the media components content, image, audio, sensory effects, interaction with 3D objects and interaction using the tablet device. The potential impact on Presence is analyzed by looking at two of the four dimensions defined by the ITC-SOPI questionnaire, namely Spatial Presence and Engagement. The users’ characteristics considered encompass the following personal affective, cognitive and behavioral attributes: preferences and habits in relation to the content, knowledge of the involved technologies, tendency to get emotionally involved and tendency to get absorbed in an activity and block out external distractors and the big five personality traits extraversion, agreeableness, conscientiousness, neuroticism and openness to experience. At the overall level, we found that participants preferred binaural audio than standard stereo audio and that sensory effects increase significantly the level of Spatial Presence. Several heterogeneous effects were also revealed as a result of our experimental manipulations. Interestingly, these effects were not equally distributed across the quality and Presence measures analyzed. Whereas binaural audio was foud to have an influence on the majority of the quality and Presence measures considered, the effects of sensory effects and of interaction with additional content through the tablet device concentrate mainly on the dimensions of Presence and on quality measures, respectively. The magnitude of these effects was modulated by individual’s characteristics, such as: preferences in relation to the content, frequency of viewing similar content, knowledge of involved technologies, gender, tendency to get emotionally involved, tendency to absorption and levels of agreeableness, conscientiousness and openness to experience. The personal characteristics collected in our experiment explained most of the variation in the dependent variables, confirming the frequently neglected role of individual differences on the media experience. Preferences in relation to the content, knowledge of involved technologies and tendency to get emotionally involved were among the user variables with the most generalized influence. In particular, the former two features seem to present a conflict in the allocation of attentional resources towards the media content versus the technical features of the system, respectively. Additionally, football fans’ experience seems to be modulated by emotional processes whereas for not fans, cognitive processes (and in particular those related to quality judgment) prevail.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

A Novel Approach to Context-Aware Content-Based Middleware

La computación ubicua está extendiendo su aplicación desde entornos específicos hacia el uso cotidiano; el Internet de las cosas (IoT, en inglés) es el ejemplo más brillante de su aplicación y de la complejidad intrínseca que tiene, en comparación con el clásico desarrollo de aplicaciones. La principal característica que diferencia la computación ubicua de los otros tipos está en como se emplea la información de contexto. Las aplicaciones clásicas no usan en absoluto la información de contexto o usan sólo una pequeña parte de ella, integrándola de una forma ad hoc con una implementación específica para la aplicación. La motivación de este tratamiento particular se tiene que buscar en la dificultad de compartir el contexto con otras aplicaciones. En realidad lo que es información de contexto depende del tipo de aplicación: por poner un ejemplo, para un editor de imágenes, la imagen es la información y sus metadatos, tales como la hora de grabación o los ajustes de la cámara, son el contexto, mientras que para el sistema de ficheros la imagen junto con los ajustes de cámara son la información, y el contexto es representado por los metadatos externos al fichero como la fecha de modificación o la de último acceso. Esto significa que es difícil compartir la información de contexto, y la presencia de un middleware de comunicación que soporte el contexto de forma explícita simplifica el desarrollo de aplicaciones para computación ubicua. Al mismo tiempo el uso del contexto no tiene que ser obligatorio, porque si no se perdería la compatibilidad con las aplicaciones que no lo usan, convirtiendo así dicho middleware en un middleware de contexto. SilboPS, que es nuestra implementación de un sistema publicador/subscriptor basado en contenido e inspirado en SIENA [11, 9], resuelve dicho problema extendiendo el paradigma con dos elementos: el Contexto y la Función de Contexto. El contexto representa la información contextual propiamente dicha del mensaje por enviar o aquella requerida por el subscriptor para recibir notificaciones, mientras la función de contexto se evalúa usando el contexto del publicador y del subscriptor. Esto permite desacoplar la lógica de gestión del contexto de aquella de la función de contexto, incrementando de esta forma la flexibilidad de la comunicación entre varias aplicaciones. De hecho, al utilizar por defecto un contexto vacío, las aplicaciones clásicas y las que manejan el contexto pueden usar el mismo SilboPS, resolviendo de esta forma la incompatibilidad entre las dos categorías. En cualquier caso la posible incompatibilidad semántica sigue existiendo ya que depende de la interpretación que cada aplicación hace de los datos y no puede ser solucionada por una tercera parte agnóstica. El entorno IoT conlleva retos no sólo de contexto, sino también de escalabilidad. La cantidad de sensores, el volumen de datos que producen y la cantidad de aplicaciones que podrían estar interesadas en manipular esos datos está en continuo aumento. Hoy en día la respuesta a esa necesidad es la computación en la nube, pero requiere que las aplicaciones sean no sólo capaces de escalar, sino de hacerlo de forma elástica [22]. Desgraciadamente no hay ninguna primitiva de sistema distribuido de slicing que soporte un particionamiento del estado interno [33] junto con un cambio en caliente, además de que los sistemas cloud actuales como OpenStack u OpenNebula no ofrecen directamente una monitorización elástica. Esto implica que hay un problema bilateral: cómo puede una aplicación escalar de forma elástica y cómo monitorizar esa aplicación para saber cuándo escalarla horizontalmente. E-SilboPS es la versión elástica de SilboPS y se adapta perfectamente como solución para el problema de monitorización, gracias al paradigma publicador/subscriptor basado en contenido y, a diferencia de otras soluciones [5], permite escalar eficientemente, para cumplir con la carga de trabajo sin sobre-provisionar o sub-provisionar recursos. Además está basado en un algoritmo recientemente diseñado que muestra como añadir elasticidad a una aplicación con distintas restricciones sobre el estado: sin estado, estado aislado con coordinación externa y estado compartido con coordinación general. Su evaluación enseña como se pueden conseguir notables speedups, siendo el nivel de red el principal factor limitante: de hecho la eficiencia calculada (ver Figura 5.8) demuestra cómo se comporta cada configuración en comparación con las adyacentes. Esto permite conocer la tendencia actual de todo el sistema, para saber si la siguiente configuración compensará el coste que tiene con la ganancia que lleva en el throughput de notificaciones. Se tiene que prestar especial atención en la evaluación de los despliegues con igual coste, para ver cuál es la mejor solución en relación a una carga de trabajo dada. Como último análisis se ha estimado el overhead introducido por las distintas configuraciones a fin de identificar el principal factor limitante del throughput. Esto ayuda a determinar la parte secuencial y el overhead de base [26] en un despliegue óptimo en comparación con uno subóptimo. Efectivamente, según el tipo de carga de trabajo, la estimación puede ser tan baja como el 10 % para un óptimo local o tan alta como el 60 %: esto ocurre cuando se despliega una configuración sobredimensionada para la carga de trabajo. Esta estimación de la métrica de Karp-Flatt es importante para el sistema de gestión porque le permite conocer en que dirección (ampliar o reducir) es necesario cambiar el despliegue para mejorar sus prestaciones, en lugar que usar simplemente una política de ampliación. ABSTRACT The application of pervasive computing is extending from field-specific to everyday use. The Internet of Things (IoT) is the shiniest example of its application and of its intrinsic complexity compared with classical application development. The main characteristic that differentiates pervasive from other forms of computing lies in the use of contextual information. Some classical applications do not use any contextual information whatsoever. Others, on the other hand, use only part of the contextual information, which is integrated in an ad hoc fashion using an application-specific implementation. This information is handled in a one-off manner because of the difficulty of sharing context across applications. As a matter of fact, the application type determines what the contextual information is. For instance, for an imaging editor, the image is the information and its meta-data, like the time of the shot or camera settings, are the context, whereas, for a file-system application, the image, including its camera settings, is the information and the meta-data external to the file, like the modification date or the last accessed timestamps, constitute the context. This means that contextual information is hard to share. A communication middleware that supports context decidedly eases application development in pervasive computing. However, the use of context should not be mandatory; otherwise, the communication middleware would be reduced to a context middleware and no longer be compatible with non-context-aware applications. SilboPS, our implementation of content-based publish/subscribe inspired by SIENA [11, 9], solves this problem by adding two new elements to the paradigm: the context and the context function. Context represents the actual contextual information specific to the message to be sent or that needs to be notified to the subscriber, whereas the context function is evaluated using the publisher’s context and the subscriber’s context to decide whether the current message and context are useful for the subscriber. In this manner, context logic management is decoupled from context management, increasing the flexibility of communication and usage across different applications. Since the default context is empty, context-aware and classical applications can use the same SilboPS, resolving the syntactic mismatch that there is between the two categories. In any case, the possible semantic mismatch is still present because it depends on how each application interprets the data, and it cannot be resolved by an agnostic third party. The IoT environment introduces not only context but scaling challenges too. The number of sensors, the volume of the data that they produce and the number of applications that could be interested in harvesting such data are growing all the time. Today’s response to the above need is cloud computing. However, cloud computing applications need to be able to scale elastically [22]. Unfortunately there is no slicing, as distributed system primitives that support internal state partitioning [33] and hot swapping and current cloud systems like OpenStack or OpenNebula do not provide elastic monitoring out of the box. This means there is a two-sided problem: 1) how to scale an application elastically and 2) how to monitor the application and know when it should scale in or out. E-SilboPS is the elastic version of SilboPS. I t is the solution for the monitoring problem thanks to its content-based publish/subscribe nature and, unlike other solutions [5], it scales efficiently so as to meet workload demand without overprovisioning or underprovisioning. Additionally, it is based on a newly designed algorithm that shows how to add elasticity in an application with different state constraints: stateless, isolated stateful with external coordination and shared stateful with general coordination. Its evaluation shows that it is able to achieve remarkable speedups where the network layer is the main limiting factor: the calculated efficiency (see Figure 5.8) shows how each configuration performs with respect to adjacent configurations. This provides insight into the actual trending of the whole system in order to predict if the next configuration would offset its cost against the resulting gain in notification throughput. Particular attention has been paid to the evaluation of same-cost deployments in order to find out which one is the best for the given workload demand. Finally, the overhead introduced by the different configurations has been estimated to identify the primary limiting factor for throughput. This helps to determine the intrinsic sequential part and base overhead [26] of an optimal versus a suboptimal deployment. Depending on the type of workload, this can be as low as 10% in a local optimum or as high as 60% when an overprovisioned configuration is deployed for a given workload demand. This Karp-Flatt metric estimation is important for system management because it indicates the direction (scale in or out) in which the deployment has to be changed in order to improve its performance instead of simply using a scale-out policy.

Adaptation Strategies for Discontinuous Galerkin Spectral Element Methods by means of Truncation Error Estimations

In this work a p-adaptation (modification of the polynomial order) strategy based on the minimization of the truncation error is developed for high order discontinuous Galerkin methods. The truncation error is approximated by means of a truncation error estimation procedure and enables the identification of mesh regions that require adaptation. Three truncation error estimation approaches are developed and termed a posteriori, quasi-a priori and quasi-a priori corrected. Fine solutions, which are obtained by enriching the polynomial order, are required to solve the numerical problem with adequate accuracy. For the three truncation error estimation methods the former needs time converged solutions, while the last two rely on non-converged solutions, which lead to faster computations. Based on these truncation error estimation methods, algorithms for mesh adaptation were designed and tested. Firstly, an isotropic adaptation approach is presented, which leads to equally distributed polynomial orders in different coordinate directions. This first implementation is improved by incorporating a method to extrapolate the truncation error. This results in a significant reduction of computational cost. Secondly, the employed high order method permits the spatial decoupling of the estimated errors and enables anisotropic p-adaptation. The incorporation of anisotropic features leads to meshes with different polynomial orders in the different coordinate directions such that flow-features related to the geometry are resolved in a better manner. These adaptations result in a significant reduction of degrees of freedom and computational cost, while the amount of improvement depends on the test-case. Finally, this anisotropic approach is extended by using error extrapolation which leads to an even higher reduction in computational cost. These strategies are verified and compared in terms of accuracy and computational cost for the Euler and the compressible Navier-Stokes equations. The main result is that the two quasi-a priori methods achieve a significant reduction in computational cost when compared to a uniform polynomial enrichment. Namely, for a viscous boundary layer flow, we obtain a speedup of a factor of 6.6 and 7.6 for the quasi-a priori and quasi-a priori corrected approaches, respectively. RESUMEN En este trabajo se ha desarrollado una estrategia de adaptación-p (modificación del orden polinómico) para métodos Galerkin discontinuo de alto orden basada en la minimización del error de truncación. El error de truncación se estima utilizando el método tau-estimation. El estimador permite la identificación de zonas de la malla que requieren adaptación. Se distinguen tres técnicas de estimación: a posteriori, quasi a priori y quasi a priori con correción. Todas las estrategias requieren una solución obtenida en una malla fina, la cual es obtenida aumentando de manera uniforme el orden polinómico. Sin embargo, mientras que el primero requiere que esta solución esté convergida temporalmente, el resto utiliza soluciones no convergidas, lo que se traduce en un menor coste computacional. En este trabajo se han diseñado y probado algoritmos de adaptación de malla basados en métodos tau-estimation. En primer lugar, se presenta un algoritmo de adaptacin isótropo, que conduce a discretizaciones con el mismo orden polinómico en todas las direcciones espaciales. Esta primera implementación se mejora incluyendo un método para extrapolar el error de truncación. Esto resulta en una reducción significativa del coste computacional. En segundo lugar, el método de alto orden permite el desacoplamiento espacial de los errores estimados, permitiendo la adaptación anisotropica. Las mallas obtenidas mediante esta técnica tienen distintos órdenes polinómicos en cada una de las direcciones espaciales. La malla final tiene una distribución óptima de órdenes polinómicos, los cuales guardan relación con las características del flujo que, a su vez, depenen de la geometría. Estas técnicas de adaptación reducen de manera significativa los grados de libertad y el coste computacional. Por último, esta aproximación anisotropica se extiende usando extrapolación del error de truncación, lo que conlleva un coste computational aún menor. Las estrategias se verifican y se comparan en téminors de precisión y coste computacional utilizando las ecuaciones de Euler y Navier Stokes. Los dos métodos quasi a priori consiguen una reducción significativa del coste computacional en comparación con aumento uniforme del orden polinómico. En concreto, para una capa límite viscosa, obtenemos una mejora en tiempo de computación de 6.6 y 7.6 respectivamente, para las aproximaciones quasi-a priori y quasi-a priori con corrección.

Quality of experience of adaptive video streaming: investigation in service parameters and subjective quality assessment methodology

The usage of HTTP adaptive streaming (HAS) has become widely spread in multimedia services. Because it allows the service providers to improve the network resource utilization and user׳s Quality of Experience (QoE). Using this technology, the video playback interruption is reduced since the network and server status in addition to capability of user device, all are taken into account by HAS client to adapt the quality to the current condition. Adaptation can be done using different strategies. In order to provide optimal QoE, the perceptual impact of adaptation strategies from point of view of the user should be studied. However, the time-varying video quality due to the adaptation which usually takes place in a long interval introduces a new type of impairment making the subjective evaluation of adaptive streaming system challenging. The contribution of this paper is two-fold: first, it investigates the testing methodology to evaluate HAS QoE by comparing the subjective experimental outcomes obtained from ACR standardized method and a semi-continuous method developed to evaluate the long sequences. In addition, influence of using audiovisual stimuli to evaluate the video-related impairment is inquired. Second, impact of some of the adaptation technical factors including the quality switching amplitude and chunk size in combination with high range of commercial content type is investigated. The results of this study provide a good insight toward achieving appropriate testing method to evaluate HAS QoE, in addition to designing switching strategies with optimal visual quality.

Studies on locus content mapping.

Locus content maps are derived from monosomic or disomic chromosomes broken by radiation, shearing, or other clastogen, the fragments being distributed among clones by dilution or incorporation into the cells of another species and scored for segregation of markers. Locus content maps provide evidence about radiosensitivity of chromosome regions, support for order, and approximate location. Omission of the most aberrant and least informative clones increases efficiency of localization. Correct analysis must allow for preferential retention of certain sequences, monosomy or polysomy of donor chromosomes, and error filtration. Combination of these refinements extracts substantially more information from fewer clones. Because of unmodeled peculiarities in the data, the best analysis does not recover the physical map but roughly localizes markers that may be monomorphic and therefore unsuitable for linkage mapping. As with linkage for polymorphic loci, distance in the composite map should be confirmed by physical methods.

Preparation of high metal content nanoporous carbon

Activated carbons with high metal content have been prepared by the pyrolysis of ethylene tar with dissolved metal acetylacetonates (Ti, V, Fe, Co, Ni and Cu) and subsequent activation with KOH of the pitch obtained in pyrolysis. These metal compounds decompose during the pyrolysis of ethylene tar yielding metal nanoparticles formed by metal and/or oxide which are homogeneously distributed in the pitch and remain in the activated carbon, so that the concentration of metal is, in most cases, 4–5 times higher than in the pristine ethylene tar. Since KOH is an effective activating agent, all activated carbons combine a high porosity development with a high metal content. In some of the carbons, such as P2FeA (3.3% Fe, pore volume 1.84 cm3/g, BET surface area 3270 m2/g), there is even an increase in the pore volume when compared to the activated carbon prepared in the same way without metal, in spite of the fact that the metal increases the weight of carbon without contributing to the adsorptive capacity. It seems that iron, on the one hand modifies the pyrolysis to give a pitch with larger mesophase content and on the other hand it locally catalyzes carbon gasification with the CO2 produced along the synthesis of the carbon. In addition to its influence on activation, iron promotes the formation of graphitic carbon fibers.

Assessment of Web Content Accessibility Levels in Spanish Official Online Education Environments

Diversity-based designing, or the goal of ensuring that web-based information is accessible to as many diverse users as possible, has received growing international acceptance in recent years, with many countries introducing legislation to enforce it. This paper analyses web content accessibility levels in Spanish education portals according to the international guidelines established by the World Wide Web Consortium (W3C) and the Web Accessibility Initiative (WAI). Additionally, it suggests the calculation of an inaccessibility rate as a tool for measuring the degree of non-compliance with WAI Guidelines 2.0 as well as illustrating the significant gap that separates people with disabilities from digital education environments (with a 7.77% average). A total of twenty-one educational web portals with two different web depth levels (42 sampling units) were assessed for this purpose using the automated analysis tool Web Accessibility Test 2.0 (TAW, for its initials in Spanish). The present study reveals a general trend towards non-compliance with the technical accessibility recommendations issued by the W3C-WAI group (97.62% of the websites examined present mistakes in Level A conformance). Furthermore, despite the increasingly high number of legal and regulatory measures about accessibility, their practical application still remains unsatisfactory. A greater level of involvement must be assumed in order to raise awareness and enhance training efforts towards accessibility in the context of collective Information and Communication Technologies (ICTs), since this represents not only a necessity but also an ethical, social, political and legal commitment to be assumed by society.

Socialising Around Media (SAM): Dynamic Social and Media Content Syndication for Second Screen

Today's generation of Internet devices has changed how users are interacting with media, from passive and unidirectional users to proactive and interactive. Users can use these devices to comment or rate a TV show and search for related information regarding characters, facts or personalities. This phenomenon is known as second screen. This paper describes SAM, an EU-funded research project that focuses on developing an advanced digital media delivery platform based on second screen interaction and content syndication within a social media context, providing open and standardised ways of characterising, discovering and syndicating digital assets. This work provides an overview of the project and its main objectives, focusing on the NLP challenges to be faced and the technologies developed so far.

Innovative education networking aimed at multimedia tools for geometrical optics learning

We present a purposeful initiative to open new grounds for teaching Geometrical Optics. It is based on the creation of an innovative education networking involving academic staff from three Spanish universities linked together around Optics. Nowadays, students demand online resources such as innovative multimedia tools for complementing the understanding of their studies. Geometrical Optics relies on basics of light phenomena like reflection and refraction and the use of simple optical elements such as mirrors, prisms, lenses, and fibers. The mathematical treatment is simple and the equations are not too complicated. But from our long time experience in teaching to undergraduate students, we realize that important concepts are missed by these students because they do not work ray tracing as they should do. Moreover, Geometrical Optics laboratory is crucial by providing many short Optics experiments and thus stimulating students interest in the study of such a topic. Multimedia applications help teachers to cover those student demands. In that sense, our educational networking shares and develops online materials based on 1) video-tutorials of laboratory experiences and of ray tracing exercises, 2) different online platforms for student self-examinations and 3) computer assisted geometrical optics exercises. That will result in interesting educational synergies and promote student autonomy for learning Optics.